Adakah Terdapat Cara Lebih Mesra Iklim Untuk Menyuburkan Tanaman? Jawapannya Mungkin Bertiup Dalam Angin

Tumbuhan secara semula jadi "berkuasa suria", tetapi terdapat jejak karbon yang dikaitkan dengan menanamnya sebagai tanaman. Bahan api yang digunakan untuk menggerakkan traktor dan peralatan lain adalah sebahagian daripada jejak itu, tetapi komponen terbesar mengikut urutan 36% dikaitkan dengan gas asli yang digunakan untuk membuat baja nitrogen sintetik.

Di antara gangguan yang didorong oleh konflik dalam pasaran gas asli global dan keperluan mendesak untuk menangani perubahan iklim, pergantungan baja nitrogen kepada bahan api fosil menjadi tidak dapat dipertahankan. Penyelesaian yang ideal ialah mencari cara untuk membuat bekalan nitrogen rendah karbon menggunakan tenaga tempatan yang boleh diperbaharui. Adakah itu mungkin? Dalam kes ini, jawapannya mungkin benar-benar "bertiup dalam angin."

Tumbuhan hijau mendapat tenaga untuk tumbuh daripada matahari melalui proses fotosintesis. Mereka buat; walau bagaimanapun, memerlukan nutrien - mineral yang mereka serap daripada tanah melalui akarnya. Nitrogen, Fosforus dan Potassium adalah keperluan terbesar tumbuhan dan dalam pertanian atau berkebun ia dibekalkan sebagai baja. Sepanjang sejarah manusia, nitrogen adalah unsur yang paling mengehadkan pengeluaran tanaman, dan apabila populasi bertambah sumber nitrogen yang ada seperti baja haiwan domestik atau guano burung tidak dapat membekalkan semua yang diperlukan. Cabaran untuk mendapatkan nitrogen yang mencukupi untuk tumbuhan agak ironik kerana atmosfera mengandungi 78% gas nitrogen; bagaimanapun, ia agak lengai dan tidak tersedia untuk kebanyakan hidupan. Hanya lebih dari 100 tahun lalu keadaan baja berubah. Seorang saintis Jerman bernama Fritz Haber telah menghasilkan sistem pemangkin dan tekanan untuk menggunakan hidrogen dan sebahagian daripada nitrogen di udara dan mengubahnya menjadi ammonia yang merupakan bentuk yang tersedia untuk tumbuhan. Seorang jurutera lain bernama Carl Bosch menyempurnakan dan mempertingkatkan proses itu supaya pada tahun 1914 adalah mungkin untuk menghasilkan 20 tan/hari nitrogen yang boleh digunakan.

Proses "Haber-Bosch" ini dilakukan secara optimum dalam kemudahan berskala besar yang setiap satu menghasilkan mengikut urutan 1 juta tan setahun sama ada daripada sumber gas asli atau melalui pengegasan arang batu. Gas asli terdiri daripada satu karbon dan empat atom hidrogen, tetapi hanya hidrogen yang diperlukan untuk bertindak balas dengan nitrogen di udara untuk membuat ammonia (satu atom N dengan tiga atom hidrogen). Karbon dalam kes itu adalah daripada sumber "fosil" jadi ia membentuk "pelepasan gas rumah hijau." Terdapat cara berbeza untuk menghasilkan hidrogen yang dipanggil elektrolisis. Apa yang diperlukan hanyalah sedikit air (dua atom hidrogen dan satu atom oksigen) dan elektrik. Proses ini memisahkan hidrogen dan membebaskan oksigen yang tidak berbahaya. Dalam senario ini tiada pelepasan karbon. Penyelidik awam dan swasta telah bereksperimen dengan proses Haber-Bosch berskala kecil untuk membuat ammonia. Tumpuan telah diberikan kepada penggunaan tenaga elektrik yang dijana angin atau suria. Konsep ini telah diusahakan sejak sekian lama. Contohnya pada tahun 2009 loji perintis bernilai $3.75 juta di Pusat Penyelidikan dan Jangkauan Pusat Barat Universiti Minnesota telah menggunakan elektrik daripada kemudahan kuasa angin tempatan untuk menghasilkan 25 tan ammonia kontang setiap tahun. Ini diterangkan dalam temu bual dengan Mike Reese, Pengarah Tenaga Boleh Diperbaharui di kemudahan Minnesota yang diterbitkan dalam jurnal perdagangan pertanian Corn+Soybean Digest. Artikel itu bertajuk dengan tepat: “Buat Baja Dari Udara Nipis? Menggunakan Kuasa Angin Terkandas untuk Membuat Ammonia Boleh Diperbaharui Dapat Menstabilkan N Harga, Membina Pasaran Kuasa Angin.”

Jadi apa yang berlaku 13 tahun kemudian? Seperti mana-mana proses kimia baru, ia memerlukan masa untuk pengoptimuman. Terdapat juga skala ekonomi yang menyukarkan untuk bersaing dengan proses berskala industri yang mantap seperti yang digunakan untuk pengeluaran baja moden. Walau bagaimanapun ada kemungkinan bahawa versi teknologi ini menghampiri kemungkinan komersial. A "Analisis Teknologi-Ekonomi” yang diterbitkan pada 2020 oleh penyelidik di Texas Tech membuat kesimpulan bahawa ammonia “semua elektrik” boleh dihasilkan pada kira-kira dua kali ganda kos ammonia komoditi konvensional. Itu sebelum kenaikan dramatik yang dilihat dengan harga baja untuk musim tanam 2022 (lihat Petani Moden: “Petani Berjuang Menyaingi Kenaikan Harga Baja).

Dalam temu bual untuk artikel ini Mike Reese dari kemudahan Universiti Minnesota mengatakan bahawa momentum sedang membina untuk penyelesaian ini. Dengan peningkatan kos gas asli, kos elektrik boleh diperbaharui menurun dan komitmen terhadap mitigasi perubahan iklim menjadi keutamaan; kini terdapat minat yang meluas dalam pilihan "ammonia hijau" semacam ini. Reese mengatakan bahawa beberapa syarikat baja konvensional berskala besar sedang melihat bagaimana mereka mungkin beralih ke arah ini. Penerangan Reese tentang teknologi ini disiarkan di laman web pusat: “Menjana Tenaga Mampan dan Pertanian: Memasukkan Angin dalam Botol.” Penyelidik UMN juga telah menerbitkan satu berkaitan analisis ekonomi.

Senario logik adalah untuk membangunkan loji berskala sederhana dalam julat 30 hingga 200 tan/tahun dan menempatkannya di seluruh kawasan pertanian di mana terdapat banyak potensi untuk penjanaan elektrik angin dan suria. Dengan cara itu jejak pengangkutan baja akan menjadi kecil dan pasaran akan terlindung daripada perubahan harga global. Jelas sekali terdapat keperluan untuk pelaburan modal yang besar, tetapi itu mungkin sebahagiannya ditangani melalui subsidi yang didorong oleh perubahan iklim atau melalui kredit karbon. Perubahan ini juga akan menjadi positif untuk sektor tenaga solar dan angin kerana ia menangani keperluan mereka untuk penggunaan semasa tempoh pengeluaran puncak yang mungkin tidak selaras dengan permintaan grid. Terdapat garis kepentingan bebas dalam ammonia sebagai cara yang lebih selamat untuk menyimpan hidrogen untuk pelepasan kemudian banyak aplikasi yang berbeza.

Seolah-olah cerita ini belum cukup positif, ada cara pengeluaran baja boleh "dinyahikarbonkan" lagi. Terdapat loji bioetanol yang tersebar di banyak kawasan pertanian AS. Apabila mereka menapai karbohidrat daripada stok makanan seperti kanji jagung, mereka mengeluarkan CO2, tetapi ia adalah "neutral karbon" kerana ia berasal dari fotosintesis tanaman baru-baru ini. Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk menangkap bekalan gas yang banyak dan bertindak balas dengan ammonia untuk menghasilkan urea yang merupakan bentuk baja nitrogen yang lebih mudah disimpan dan digunakan dan yang boleh ditukar kepada formulasi biasa lain seperti UAN atau pelet pelepasan perlahan. . Membuat hubungan antara pengeluaran ammonia dan etanol ini akan mempunyai kelebihan perniagaan dan logistik di samping pengurangan jejak karbon yang dikaitkan dengan setiap produk.

Kesimpulannya, elektrifikasi pengeluaran ammonia untuk pertanian nampaknya merupakan contoh terbaik bagi jenis penyelesaian yang dibayangkan oleh “ahli ekomodern” yang berpendapat bahawa teknologi selalunya merupakan penyelesaian kepada cabaran alam sekitar. Dalam kes ini yang juga sejajar dengan keperluan untuk melindungi ekonomi ladang kita daripada ketidakstabilan global.