Finnes det en mer klimavennlig måte å gjødsle avlinger på? Svaret kan blåse i vinden

Planter er naturlig "soldrevne", men det er et karbonfotavtrykk forbundet med å dyrke dem som en avling. Drivstoffet som brukes til å drive traktorer og annet utstyr er en del av det fotavtrykket, men den største komponenten i størrelsesorden 36 % er assosiert med naturgassen som brukes til å lage syntetisk nitrogengjødsel.

Mellom konfliktdrevne forstyrrelser i det globale naturgassmarkedet og det presserende behovet for å håndtere klimaendringer, blir nitrogengjødselens avhengighet av fossilt brensel uholdbar. Den ideelle løsningen ville være å finne en måte å lage et lavt karbonavtrykk på nitrogen ved å bruke lokal, fornybar energi. Er det mulig? I dette tilfellet kan svaret bokstavelig talt være "blåser i vinden."

Grønne planter får energien til å vokse fra solen gjennom prosessen med fotosyntese. De gjør; trenger imidlertid næringsstoffer - mineraler som de absorberer fra jorden gjennom røttene. Nitrogen, fosfor og kalium er plantens største behov, og i landbruk eller hagearbeid leveres de som gjødsel. Gjennom menneskets historie var nitrogen det mest begrensende elementet for avlingsproduksjon, og etter hvert som befolkningen økte, kunne ikke de tilgjengelige nitrogenkildene som husdyrgjødsel eller fugleguano levere alt som var nødvendig. Utfordringen med å få nok nitrogen til planter er noe ironisk fordi atmosfæren inneholder 78 % nitrogengass; den er imidlertid ganske inert og utilgjengelig for de fleste levende ting. Litt over 100 år siden gjødselsituasjonen endret seg. En tysk forsker ved navn Fritz Haber kom opp med en katalysator og et trykksystem for å bruke hydrogen og noe av nitrogenet i luften og gjøre det om til ammoniakk som er en form tilgjengelig for planter. En annen ingeniør ved navn Carl Bosch perfeksjonerte og oppskalerte prosessen slik at det innen 1914 var mulig å produsere 20 tonn brukbart nitrogen per dag.

Denne "Haber-Bosch"-prosessen utføres optimalt i storskalaanlegg som hver produserer i størrelsesorden 1 million tonn per år, enten fra naturgasskilder eller gjennom kullgassifisering. Naturgass består av ett karbon- og fire hydrogenatomer, men det er bare hydrogenet som trengs for å reagere med nitrogen i luften for å lage ammoniakk (ett N-atom med tre hydrogenatomer). Karbonet er i så fall fra en "fossil" kilde, så det utgjør et "utslipp av klimagasser." Det er en annen måte å generere hydrogen på, kalt elektrolyse. Alt som trengs er litt vann (to hydrogenatomer og ett oksygenatom) og elektrisitet. Denne prosessen spalter hydrogenet og frigjør det ufarlige oksygenet. I dette scenariet er det ingen karbonutslipp. Offentlige og private forskere har eksperimentert med småskala Haber-Bosch-prosesser for å lage ammoniakk. Fokus har vært på bruk av vind- eller solenergi. Dette konseptet har vært i arbeid en stund. I 2009 brukte for eksempel et pilotanlegg på 3.75 millioner dollar ved University of Minnesotas West Central Research and Outreach Center elektrisitet fra et lokalt vindkraftanlegg for å produsere 25 tonn vannfri ammoniakk per år. Dette ble beskrevet i et intervju med Mike Reese, fornybar energidirektør ved det Minnesota-anlegget publisert i landbruksfagtidsskriftet Corn+Soybean Digest. Artikkelen hadde en passende tittel: "Lag gjødsel fra tynn luft? Å bruke strandet vindkraft for å lage fornybar ammoniakk kan stabilisere N-priser, bygge vindkraftmarkeder."

Så hva skjer 13 år senere? Som med enhver ny kjemisk prosess tar det tid å optimalisere. Det er også stordriftsfordeler som gjør det vanskelig å konkurrere med en veletablert prosess i industriell skala som den som brukes til moderne gjødselproduksjon. Det er imidlertid mulig at versjoner av denne teknologien nærmer seg en kommersiell gjennomførbarhet. en "Teknisk-økonomisk analyse" publisert i 2020 av forskere ved Texas Tech konkluderte med at "all elektrisk" ammoniakk kunne produseres til omtrent det dobbelte av prisen for konvensjonell ammoniakk. Det var før de dramatiske økningene sett med gjødselpriser for vekstsesongen 2022 (se Modern Farmer: «Bønder sliter med å holde tritt med stigende gjødselpriser).

I et intervju for denne artikkelen sier Mike Reese fra anlegget ved University of Minnesota at det bygges momentum for denne løsningen. Med økende naturgasskostnader, fallende kostnader for fornybar elektrisitet og forpliktelser til å redusere klimaendringer kommer i forgrunnen; Det er nå bred interesse for denne typen "grønn ammoniakk". Reese sier at flere av de store, konvensjonelle gjødselselskapene ser på hvordan de kan skifte i denne retningen. Reeses beskrivelse av denne teknologien er lagt ut på senterets nettside: "Fueling Sustainable Energy and Agriculture: Putting Wind in a Bottle." UMN-forskere har også publisert en relatert økonomisk analyse.

Et logisk scenario er å utvikle mellomstore anlegg i intervallet 30 til 200 tonn/år og lokalisere dem i landbruksregioner hvor det er stort potensiale for vind- og solenergiproduksjon. På den måten ville transportavtrykket til gjødselen være lite og markedet ville være isolert fra globale prissvingninger. Det vil åpenbart være behov for betydelige kapitalinvesteringer, men det kan delvis løses gjennom klimaendringersdrevne subsidier eller gjennom karbonkreditter. Denne endringen vil også være positiv for sol- og vindenergisektoren fordi den ivaretar deres behov for utnyttelse i høye produksjonsperioder som kanskje ikke stemmer overens med nettetterspørselen. Det er en uavhengig interesselinje for ammoniakk som et sikrere middel for å lagre hydrogen for senere utgivelse for mange forskjellige applikasjoner.

Som om denne historien ikke allerede var positiv nok, er det en måte at gjødselproduksjonen kan bli enda mer «avkarbonisert». Det er bioetanolanlegg spredt over mange amerikanske oppdrettsregioner. Når de fermenterer karbohydratene fra fôrmaterialer som maisstivelse, slipper de ut CO2, men det er "karbonnøytralt" ved at det kommer fra nyere avlingsfotosyntese. Imidlertid er det mulig å fange opp den rikelige tilførselen av gass og reagere den med ammoniakk for å produsere urea som er en lettere lagret og påført form for nitrogengjødsel og en som kan omdannes til andre vanlige formuleringer som UAN eller pellets med langsom frigjøring. . Å lage denne koblingen mellom produksjon av ammoniakk og etanol vil ha både forretningsmessige og logistiske fordeler i tillegg til reduksjonen av karbonfotavtrykk knyttet til hvert produkt.

Som konklusjon ser det ut til at elektrifisering av ammoniakkproduksjon for landbruket ser ut til å være et utmerket eksempel på den typen løsning som er sett for seg av "økomodernister” som hevder at teknologi ofte er løsningen på miljøutfordringer. I dette tilfellet stemmer det også overens med et behov for å beskytte gårdsøkonomien vår mot global ustabilitet.