Ar yra klimatui nekenksmingesnis būdas tręšti pasėlius? Atsakymas gali būti pučiamas vėjyje

Augalai natūraliai yra „varomi saulės energija“, tačiau jų auginimas yra susijęs su anglies pėdsaku. Degalai, naudojami traktoriams ir kitai įrangai varyti, yra šio pėdsako dalis, tačiau didžiausias komponentas maždaug 36 proc. yra susijęs su gamtinėmis dujomis, naudojamomis sintetinėms azoto trąšoms gaminti.

Tarp konfliktų sukeltų sutrikimų pasaulinėje gamtinių dujų rinkoje ir būtinybės skubiai spręsti klimato kaitos problemą, azoto trąšų priklausomybė nuo iškastinio kuro tampa nebepagrįsta. Idealus sprendimas būtų rasti būdą, kaip azoto tiekti mažai anglies dioksido į aplinką išskiriantį pėdsaką naudojant vietinę atsinaujinančią energiją. Ar tai įmanoma? Šiuo atveju atsakymas tiesiogine prasme gali būti „pučia vėjas“.

Žalieji augalai augimui energiją gauna iš saulės fotosintezės proceso metu. Jie daro; tačiau reikia maistinių medžiagų – mineralų, kuriuos jie pasisavina iš dirvožemio per šaknis. Azotas, fosforas ir kalis yra didžiausi augalų poreikiai, o žemės ūkyje ar sodininkystėje jie tiekiami kaip trąšos. Per visą žmonijos istoriją azotas buvo labiausiai ribojantis augalininkystės elementas, o populiacijai didėjant turimiems azoto šaltiniams, tokiems kaip naminių gyvulių mėšlas ar paukščių guanas, negalėjo tiekti visko, ko reikia. Iššūkis gauti pakankamai azoto augalams yra šiek tiek ironiškas, nes atmosferoje yra 78 % azoto dujų; tačiau jis yra gana inertiškas ir nepasiekiamas daugumai gyvų dalykų. Prieš kiek daugiau nei 100 metų pasikeitė trąšų padėtis. Vokiečių mokslininkas Fritzas Haberis sukūrė katalizatorių ir slėgio sistemą, skirtą panaudoti vandenilį ir dalį ore esančio azoto ir paversti jį amoniaku, kuris yra augalams prieinama forma. Kitas inžinierius, vardu Carlas Boschas, ištobulino ir padidino procesą taip, kad iki 1914 m. būtų galima pagaminti 20 tonų per dieną naudingo azoto.

Šis „Haber-Bosch“ procesas optimaliai atliekamas didelio masto įrenginiuose, kurių kiekvienas pagamina apie 1 mln. tonų per metus iš gamtinių dujų šaltinių arba dujofikuojant anglį. Gamtinės dujos susideda iš vieno anglies ir keturių vandenilio atomų, tačiau tik vandenilio reikia, kad reaguotų su ore esančiu azotu, kad susidarytų amoniakas (vienas N atomas su trimis vandenilio atomais). Tokiu atveju anglis yra iš „iškastinio“ šaltinio, todėl ji yra „šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisija“. Yra kitoks vandenilio generavimo būdas, vadinamas elektrolize. Tereikia vandens (du vandenilio ir vieno deguonies atomo) ir elektros. Šis procesas atskiria vandenilį ir išskiria nekenksmingą deguonį. Pagal šį scenarijų anglies dvideginio emisija nėra. Viešieji ir privatūs mokslininkai eksperimentavo su nedideliais Haber-Bosch procesais, kad gautų amoniaką. Daugiausia dėmesio buvo skiriama vėjo ar saulės energijos gamybai. Ši koncepcija buvo kuriama jau kurį laiką. Pavyzdžiui, 2009 m. Minesotos universiteto Vakarų centrinio tyrimų ir informavimo centro bandomoji gamykla, kainavusi 3.75 mln. USD, naudojo vietinio vėjo jėgainės elektros energiją, kad pagamintų 25 tonas bevandenio amoniako per metus. Tai buvo aprašyta interviu su Mike'u Reese'u, Minesotos įmonės atsinaujinančios energijos direktoriumi, paskelbtame žemės ūkio prekybos žurnale Corn+Soybean Digest. Straipsnis buvo taikliai pavadintas: „Padaryti trąšas iš plono oro? Vėjo energijos panaudojimas atsinaujinančio amoniako gamybai galėtų stabilizuoti N kainas, sukurti vėjo energijos rinkas.

Taigi, kas vyksta po 13 metų? Kaip ir bet kuriam naujam cheminiam procesui optimizuoti reikia laiko. Taip pat yra masto ekonomijos, dėl kurios sunku konkuruoti su nusistovėjusiu pramoninio masto procesu, tokiu, kuris naudojamas šiuolaikinei trąšų gamybai. Tačiau gali būti, kad šios technologijos versijos artėja prie komercinio pagrįstumo. A “Technoekonominė analizė2020 m. paskelbtame „Texas Tech“ mokslininkų padaryta išvada, kad „visą elektrinį“ amoniaką galima pagaminti maždaug dvigubai brangiau nei įprastas amoniakas. Tai buvo prieš dramatišką trąšų kainų padidėjimą 2022 m. auginimo sezonui (žr Šiuolaikinis ūkininkas: „Ūkininkai stengiasi neatsilikti nuo augančių trąšų kainų).

Šiam straipsniui skirtame interviu Mike'as Reese'as iš Minesotos universiteto teigia, kad šis sprendimas sparčiai auga. Didėjant gamtinių dujų kainoms, mažėjant atsinaujinančiosios elektros energijos sąnaudoms, o įsipareigojimams sušvelninti klimato kaitą iškyla svarbiausia; šiuo metu yra didelis susidomėjimas tokiu „žaliojo amoniako“ variantu. Reese teigia, kad kelios stambios, tradicines trąšas gaminančios įmonės tiria, kaip galėtų pasikeisti šia kryptimi. Reese šios technologijos aprašymas paskelbtas centro svetainėje: „Tvarios energetikos ir žemės ūkio kūrimas: vėjo įdėjimas į butelį. UMN mokslininkai taip pat paskelbė susijusį ekonominė analizė.

Logiškas scenarijus yra sukurti vidutinio masto jėgaines, kurių našumas svyruoja nuo 30 iki 200 tonų per metus, ir išdėstyti jas žemės ūkio regionuose, kuriuose yra daug vėjo ir saulės energijos gamybos galimybių. Taip trąšų transportavimo pėdsakas būtų mažas, o rinka būtų izoliuota nuo pasaulinių kainų svyravimų. Akivaizdu, kad prireiktų didelių kapitalo investicijų, tačiau tai gali būti iš dalies patenkinta taikant klimato kaitos skatinamas subsidijas arba anglies dioksido kreditus. Šis pokytis taip pat būtų teigiamas saulės ir vėjo energijos sektoriui, nes jis sprendžia jų poreikį naudoti piko gamybos laikotarpiais, kurie gali neatitikti tinklo paklausos. Egzistuoja nepriklausoma amoniako, kaip saugesnės vandenilio saugojimo priemonės, skirta vėliau išleisti, domėjimosi linija daug įvairių programų.

Tarsi ši istorija dar nebūtų pakankamai teigiama, yra būdas, kad trąšų gamyba galėtų būti dar labiau „dekarbonizuota“. Daugelyje JAV ūkininkavimo regionų yra bioetanolio gamyklų. Fermentuodami angliavandenius iš pašarinių žaliavų, tokių kaip kukurūzų krakmolas, jie išskiria CO2, tačiau jis yra „neutralus anglies dioksido“ požiūriu, nes gaunamas iš neseniai įvykusios pasėlių fotosintezės. Tačiau galima užfiksuoti tą gausų dujų tiekimą ir sureaguoti su amoniaku, kad susidarytų karbamidas, kuris yra lengviau laikomas ir naudojamas azoto trąšų forma, kurią galima paversti kitomis įprastomis formomis, tokiomis kaip KAN arba lėtai atpalaiduojančios granulės. . Šis ryšys tarp amoniako ir etanolio gamybos turėtų tiek verslo, tiek logistikos pranašumų, be su kiekvienu produktu susijusio anglies pėdsako sumažinimo.

Apibendrinant galima pasakyti, kad amoniako gamybos elektrifikavimas žemės ūkyje yra puikus tokio sprendimo pavyzdys, kurį numatė „ekomodernistai“, kurie teigia, kad technologijos dažnai yra aplinkos problemų sprendimas. Šiuo atveju tai taip pat atitinka poreikį apsaugoti mūsų ūkio ekonomiką nuo pasaulinio nestabilumo.