Finns det ett mer klimatvänligt sätt att gödsla grödor? Svaret kan blåsa i vinden

Växter är naturligt "soldrivna", men det finns ett koldioxidavtryck förknippat med att odla dem som en gröda. Bränslet som används för att driva traktorer och annan utrustning är en del av det fotavtrycket, men den största komponenten i storleksordningen 36 % är förknippad med den naturgas som används för att tillverka syntetiska kvävegödselmedel.

Mellan konfliktdrivna störningar på den globala naturgasmarknaden och det akuta behovet av att ta itu med klimatförändringarna, blir kvävegödselns beroende av fossila bränslen ohållbart. Den idealiska lösningen skulle vara att hitta ett sätt att skapa en försörjning av kväve med lågt koldioxidavtryck med hjälp av lokal, förnybar energi. Är det möjligt? I det här fallet kan svaret bokstavligen vara "blåser i vinden."

Gröna växter får energi att växa från solen genom fotosyntesen. Dom gör; behöver dock näringsämnen – mineraler som de absorberar från jorden genom sina rötter. Kväve, fosfor och kalium är växtens största behov och inom jordbruk eller trädgårdsskötsel levereras de som gödningsmedel. Genom mänsklighetens historia var kväve det mest begränsande elementet för växtodling, och när befolkningen ökade kunde de tillgängliga kvävekällorna som husdjursgödsel eller fågelguano inte leverera allt som behövdes. Utmaningen att få tillräckligt med kväve för växter är något ironisk eftersom atmosfären innehåller 78 % kvävgas; den är dock ganska inert och otillgänglig för de flesta levande varelser. Precis över 100 år sedan gödselsituationen förändrades. En tysk forskare vid namn Fritz Haber kom på en katalysator och ett trycksystem för att använda väte och en del av kvävet i luften och förvandla det till ammoniak som är en form som är tillgänglig för växter. En annan ingenjör vid namn Carl Bosch perfekterade och skalade upp processen så att det 1914 var möjligt att producera 20 ton/dag av användbart kväve.

Denna "Haber-Bosch"-process utförs optimalt i storskaliga anläggningar som var och en producerar i storleksordningen 1 miljon ton per år, antingen från naturgaskällor eller genom kolförgasning. Naturgas består av en kol- och fyra väteatomer, men det är bara vätet som behövs för att reagera med kväve i luften för att göra ammoniak (en N-atom med tre väteatomer). Kolet kommer i så fall från en "fossil" källa så det utgör ett "växthusgasutsläpp". Det finns ett annat sätt att generera väte som kallas elektrolys. Allt som behövs är lite vatten (två väteatomer och en syreatom) och elektricitet. Denna process delar av vätet och frigör det ofarliga syret. I detta scenario finns inga koldioxidutsläpp. Offentliga och privata forskare har experimenterat med småskaliga Haber-Bosch-processer för att tillverka ammoniak. Fokus har legat på att använda vind- eller solel. Detta koncept har funnits under en tid. Till exempel under 2009 använde en pilotanläggning på 3.75 miljoner dollar vid University of Minnesotas West Central Research and Outreach Center elektricitet från en lokal vindkraftsanläggning för att producera 25 ton vattenfri ammoniak per år. Detta beskrevs i en intervju med Mike Reese, direktören för förnybar energi vid den anläggningen i Minnesota, publicerad i jordbrukstidningen Corn+Soybean Digest. Artikeln hade en passande titel: "Göra gödselmedel från tunn luft? Att använda strandad vindkraft för att göra förnybar ammoniak skulle kunna stabilisera priserna på N, bygga vindkraftsmarknader."

Så vad händer 13 år senare? Som med alla nya kemiska processer tar det tid för optimering. Det finns också stordriftsfördelar som gör det svårt att konkurrera med en väletablerad process i industriell skala som den som används för modern konstgödselproduktion. Det är dock möjligt att versioner av denna teknik närmar sig en kommersiell genomförbarhet. en "Teknisk-ekonomisk analys” publicerad 2020 av forskare vid Texas Tech drog slutsatsen att ”all elektrisk” ammoniak kunde produceras till ungefär dubbelt så hög kostnad som konventionell ammoniak. Det var innan de dramatiska ökningarna med gödselpriserna för odlingssäsongen 2022 (se Modern Farmer: "Bönder kämpar för att hålla jämna steg med stigande gödselmedelspriser).

I en intervju för den här artikeln säger Mike Reese från anläggningen vid University of Minnesota att det byggs fart för denna lösning. Med stigande naturgaskostnader, sjunkande kostnader för förnybar el och åtaganden om att mildra klimatförändringarna kommer i förgrunden; det finns nu ett brett intresse för den här typen av "grön ammoniak". Reese säger att flera av de storskaliga, konventionella konstgödselföretagen undersöker hur de kan växla i den här riktningen. Reeses beskrivning av denna teknik publiceras på centrets webbplats: "Bränsle hållbar energi och jordbruk: Putting Wind in a Bottle.” UMN-forskare har också publicerat en relaterad ekonomisk analys.

Ett logiskt scenario är att utveckla medelstora anläggningar i intervallet 30 till 200 ton/år och placera dem i hela jordbruksregioner där det finns gott om potential för vind- och solelproduktion. På så sätt skulle gödselmedlets transportavtryck bli litet och marknaden skulle vara isolerad från globala prissvängningar. Uppenbarligen skulle det finnas ett behov av betydande kapitalinvesteringar, men det kan delvis åtgärdas genom klimatförändringsdrivna subventioner eller genom koldioxidkrediter. Denna förändring skulle också vara positiv för sol- och vindenergisektorn eftersom den tillgodoser deras behov av utnyttjande under högproduktionsperioder som kanske inte stämmer överens med nätets efterfrågan. Det finns en oberoende linje av intresse för ammoniak som ett säkrare sätt att lagra väte för senare frisättning för många olika applikationer.

Som om den här historien inte redan var tillräckligt positiv, finns det ett sätt som gödselproduktionen skulle kunna "dekarbonaseras" ännu mer. Det finns bioetanolfabriker spridda över många amerikanska jordbruksregioner. När de jäser kolhydraterna från råvaror som majsstärkelse släpper de ut CO2, men det är "kolneutralt" genom att det kommer från den senaste tidens grödas fotosyntes. Det är dock möjligt att fånga upp den rikliga tillgången av gas och reagera den med ammoniak för att producera urea som är en mer lättlagrad och applicerad form av kvävegödselmedel och en som kan omvandlas till andra vanliga formuleringar som UAN eller långsamma pellets. . Att göra denna koppling mellan produktion av ammoniak och etanol skulle ha både affärsmässiga och logistiska fördelar utöver de minskningar av koldioxidavtryck som är förknippade med varje produkt.

Sammanfattningsvis verkar elektrifiering av ammoniakproduktion för jordbruk vara ett utmärkt exempel på den typ av lösning som föreställs av "ekomodernister” som hävdar att teknik ofta är lösningen på miljöutmaningar. I det här fallet är det också i linje med ett behov av att skydda vår gårdsekonomi från global instabilitet.