Is er een meer klimaatvriendelijke manier om gewassen te bemesten? Het antwoord kan in de wind waaien

Planten zijn van nature "op zonne-energie", maar er is een ecologische voetafdruk verbonden aan het kweken ervan als gewas. De brandstof die wordt gebruikt om tractoren en ander materieel aan te drijven, maakt deel uit van die voetafdruk, maar is de grootste component in de orde van 36% wordt geassocieerd met het aardgas dat wordt gebruikt om synthetische stikstofmeststoffen te maken.

Door de door conflicten veroorzaakte verstoringen op de wereldwijde aardgasmarkt en de dringende noodzaak om de klimaatverandering aan te pakken, wordt de afhankelijkheid van stikstofmeststoffen van fossiele brandstoffen onhoudbaar. De ideale oplossing zou zijn om een ​​manier te vinden om stikstof te leveren met een lage COXNUMX-voetafdruk door gebruik te maken van lokale, hernieuwbare energie. Is dat mogelijk? In dit geval kan het antwoord letterlijk "in de wind waaien" zijn.

Groene planten krijgen de energie om te groeien van de zon door het proces van fotosynthese. Zij doen; hebben echter voedingsstoffen nodig - mineralen die ze via hun wortels uit de grond opnemen. Stikstof, fosfor en kalium zijn de grootste behoeften van de plant en in de landbouw of tuinbouw worden deze als meststof geleverd. Door de hele menselijke geschiedenis heen was stikstof het meest beperkende element voor de productie van gewassen, en naarmate de bevolking toenam, konden de beschikbare stikstofbronnen zoals mest van huisdieren of guano van vogels niet alles leveren wat nodig was. De uitdaging om voldoende stikstof voor planten te krijgen is enigszins ironisch omdat de atmosfeer 78% stikstofgas bevat; het is echter vrij inert en niet beschikbaar voor de meeste levende wezens. Net iets meer dan 100 jaar geleden de bemestingssituatie is veranderd. Een Duitse wetenschapper genaamd Fritz Haber bedacht een katalysator en druksysteem om waterstof en een deel van de stikstof in de lucht te gebruiken en om te zetten in ammoniak, een vorm die beschikbaar is voor planten. Een andere ingenieur, Carl Bosch, heeft het proces geperfectioneerd en opgeschaald, zodat het in 1914 mogelijk was om 20 ton/dag bruikbare stikstof te produceren.

Dit "Haber-Bosch"-proces wordt optimaal uitgevoerd in grootschalige installaties die elk in de orde van grootte van 1 miljoen ton per jaar produceren, hetzij uit aardgasbronnen of door middel van kolenvergassing. Aardgas bestaat uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen, maar het is alleen de waterstof die nodig is om te reageren met stikstof in de lucht om ammoniak te maken (één N-atoom met drie waterstofatomen). De koolstof is in dat geval van een "fossiele" bron en vormt dus een "broeikasgasemissie". Er is een andere manier om waterstof te genereren, elektrolyse genaamd. Het enige dat nodig is, is wat water (twee waterstofatomen en één zuurstofatoom) en elektriciteit. Dit proces splitst de waterstof af en geeft de onschadelijke zuurstof vrij. In dit scenario is er geen CO2009-uitstoot. Publieke en private onderzoekers hebben geëxperimenteerd met kleinschalige Haber-Bosch-processen om ammoniak te maken. De focus lag op het gebruik van wind- of zonne-energie. Dit concept is al een tijdje in de maak. In 3.75 bijvoorbeeld gebruikte een proeffabriek van $ 25 miljoen voor aan de Universiteit van Minnesota's West Central Research and Outreach Center elektriciteit van een lokale windenergie-installatie om XNUMX ton watervrije ammoniak per jaar te produceren. Dit werd beschreven in een interview met Mike Reese, de directeur hernieuwbare energie van die fabriek in Minnesota, gepubliceerd in het landbouwvakblad Corn+Soybean Digest. Het artikel had de toepasselijke titel: “Kunstmest maken van dunne lucht? Het gebruik van gestrande windenergie om hernieuwbare ammoniak te maken, zou de N-prijzen kunnen stabiliseren en windenergiemarkten kunnen opbouwen."

Dus wat gebeurt er 13 jaar later? Zoals bij elk nieuw chemisch proces kost het tijd voor optimalisatie. Er zijn ook schaalvoordelen die het moeilijk maken om te concurreren met een goed ingeburgerd proces op industriële schaal zoals dat wordt gebruikt voor de moderne productie van kunstmest. Het is echter mogelijk dat versies van deze technologie een commerciële haalbaarheid naderen. EEN "Techno-economische analyse", gepubliceerd in 2020 door onderzoekers van Texas Tech, concludeerden dat "volledig elektrische" ammoniak zou kunnen worden geproduceerd tegen ongeveer twee keer de kosten van conventionele ammoniak. Dat was vóór de dramatische stijgingen van de kunstmestprijzen voor het groeiseizoen van 2022 (zie Moderne boer: "Boeren worstelen om de stijgende kunstmestprijzen bij te houden").

In een interview voor dit artikel zegt Mike Reese van de University of Minnesota dat er een momentum ontstaat voor deze oplossing. Nu de aardgaskosten stijgen, de kosten voor hernieuwbare elektriciteit dalen en de verbintenissen om de klimaatverandering tegen te gaan, komen op de voorgrond; er is inmiddels brede belangstelling voor dit soort “groene ammoniak” optie. Reese zegt dat verschillende van de grootschalige, conventionele meststoffenbedrijven onderzoeken hoe ze in deze richting kunnen veranderen. Reese's beschrijving van deze technologie staat op de website van het centrum: “Duurzame energie en landbouw voeden: wind in een fles stoppen.” UMN-onderzoekers hebben ook een verwante economische analyse.

Een logisch scenario is om middelgrote installaties in het bereik van 30 tot 200 ton/jaar te ontwikkelen en deze te plaatsen in agrarische regio's waar veel potentieel is voor de opwekking van wind- en zonne-elektriciteit. Op die manier zou de transportvoetafdruk van de meststof klein zijn en zou de markt worden geïsoleerd van wereldwijde prijsschommelingen. Het is duidelijk dat er substantiële kapitaalinvesteringen nodig zijn, maar die kunnen gedeeltelijk worden aangepakt door middel van subsidies op basis van klimaatverandering of door middel van koolstofkredieten. Deze verandering zou ook positief zijn voor de zonne- en windenergiesector, omdat het tegemoet komt aan hun behoefte aan gebruik tijdens piekproductieperioden die mogelijk niet overeenkomen met de vraag naar het elektriciteitsnet. Er is een onafhankelijke interesse in ammoniak als een veiliger middel om waterstof op te slaan voor latere vrijgave voor veel verschillende toepassingen.

Alsof dit verhaal nog niet positief genoeg was, is er een manier waarop de kunstmestproductie nog verder kan worden "gedecarboniseerd". Er zijn bio-ethanolfabrieken verspreid over veel Amerikaanse landbouwregio's. Wanneer ze de koolhydraten fermenteren van grondstoffen zoals maïszetmeel, stoten ze CO2 uit, maar het is "koolstofneutraal" omdat het afkomstig is van recente fotosynthese van gewassen. Het is echter mogelijk om die overvloedige toevoer van gas op te vangen en te laten reageren met ammoniak om ureum te produceren dat een gemakkelijker op te slaan en toe te passen vorm van stikstofmest is en een vorm die kan worden omgezet in andere gebruikelijke formuleringen zoals UAN of pellets met langzame afgifte . Het maken van deze link tussen ammoniak- en ethanolproductie zou zowel zakelijke als logistieke voordelen hebben, naast de vermindering van de COXNUMX-voetafdruk die met elk product gepaard gaat.

Concluderend lijkt de elektrificatie van de ammoniakproductie voor de landbouw een uitstekend voorbeeld te zijn van het soort oplossing dat wordt beoogd door “ecomodernisten” die stellen dat technologie vaak de oplossing is voor milieu-uitdagingen. In dit geval sluit dat ook aan bij de noodzaak om onze landbouweconomie te beschermen tegen wereldwijde instabiliteit.