Ці ёсць больш зручны для клімату спосаб падкормкі? Адказ можа быць ветрам

Расліны, натуральна, працуюць на сонечных батарэях, але з іх вырошчваннем у якасці культуры звязаны вугляродны след. Паліва, якое выкарыстоўваецца для харчавання трактароў і іншага абсталявання, з'яўляецца часткай гэтага следу, але самым вялікім кампанентам каля 36% звязаны з прыродным газам, які выкарыстоўваецца для вытворчасці сінтэтычных азотных угнаенняў.

Паміж канфліктамі на сусветным рынку прыроднага газу і надзённай неабходнасцю вырашэння праблемы змены клімату залежнасць азотных угнаенняў ад выкапнёвага паліва становіцца невыноснай. Ідэальным рашэннем было б знайсці спосаб зрабіць пастаўкі азоту з нізкім утрыманнем вугляроду з выкарыстаннем мясцовых аднаўляльных крыніц энергіі. Хіба гэта магчыма? У гэтым выпадку адказ можа быць літаральна «паветраны».

Зялёныя расліны атрымліваюць энергію для росту ад сонца ў працэсе фотасінтэзу. Яны робяць; аднак ім патрэбныя пажыўныя рэчывы - мінералы, якія яны паглынаюць з глебы праз карані. Азот, фосфар і калій з'яўляюцца найбольшымі патрэбамі расліны, і ў сельскай гаспадарцы або садоўніцтве яны пастаўляюцца ў якасці ўгнаенняў. На працягу ўсёй гісторыі чалавецтва азот быў найбольш абмежавальным элементам для раслінаводства, і па меры павелічэння насельніцтва даступныя крыніцы азоту, такія як гной хатніх жывёл або птушынае гуано, не маглі забяспечыць усё, што было неабходна. Задача атрымаць дастатковую колькасць азоту для раслін некалькі іранічная, таму што атмасфера змяшчае 78% газу азоту; аднак ён даволі інэртны і недаступны для большасьці жывых істот. Крыху больш за 100 гадоў таму змянілася сітуацыя з угнаеннямі. Нямецкі навуковец Фрыц Габер прыдумаў каталізатар і сістэму ціску, каб выкарыстоўваць вадарод і частку азоту ў паветры і ператвараць яго ў аміяк, які з'яўляецца даступнай для раслін. Іншы інжынер па імі Карл Бош удасканаліў і пашырыў працэс так, што да 1914 года можна было вырабляць 20 тон прыдатнага азоту ў дзень.

Гэты працэс «Haber-Bosch» аптымальна выконваецца на буйных прадпрыемствах, кожнае з якіх вырабляе каля 1 мільёна тон у год альбо з крыніц прыроднага газу, альбо шляхам газіфікацыі вугалю. Прыродны газ складаецца з аднаго атама вугляроду і чатырох атамаў вадароду, але толькі вадарод неабходны для рэакцыі з азотам у паветры для атрымання аміяку (адзін атам N з трыма атамамі вадароду). Вуглярод у гэтым выпадку з «выкапнёвай» крыніцы, таму ён уяўляе сабой «выкіды парніковых газаў». Існуе іншы спосаб атрымання вадароду, які называецца электролізам. Усё, што трэба, гэта вада (два атама вадароду і адзін атам кіслароду) і электрычнасць. Гэты працэс адшчапляе вадарод і вызваляе бясшкодны кісларод. Пры гэтым сцэнары выкідаў вуглякіслага газу няма. Дзяржаўныя і прыватныя даследчыкі эксперыментавалі з дробнымі працэсамі Хабера-Боша для атрымання аміяку. У цэнтры ўвагі было выкарыстанне электраэнергіі, якая выпрацоўваецца ветрам або сонцам. Гэтая канцэпцыя была ў працы на працягу некаторага часу. Напрыклад, у 2009 годзе пілотная ўстаноўка коштам 3.75 мільёна долараў для Цэнтральнага навукова-даследчага і інфармацыйнага цэнтра Універсітэта Мінесоты выкарыстоўвала электраэнергію мясцовага ветраэнергетычнага аб'екта для вытворчасці 25 тон бязводнага аміяку ў год. Гэта было апісана ў інтэрв'ю з Майкам Рысам, дырэктарам па аднаўляльных крыніцах энергіі ў гэтай установе ў Мінесоце, апублікаваным у сельскагаспадарчым гандлёвым часопісе Corn+Soybean Digest. Артыкул меў трапную назву: «Рабіце ўгнаенні з паветра? Выкарыстанне энергіі ветру для вытворчасці аднаўляльных крыніц аміяку можа стабілізаваць цэны на N, стварыць рынкі ветраэнергіі».

Дык што ж адбываецца праз 13 гадоў? Як і для любога новага хімічнага працэсу, для аптымізацыі патрабуецца час. Ёсць таксама эканомія на маштабе, якая ўскладняе канкурэнцыю добра наладжаным, прамысловым працэсам, падобным да сучаснага вытворчасці угнаенняў. Аднак магчыма, што версіі гэтай тэхналогіі набліжаюцца да камерцыйнай рэалізацыі. А "Тэхна-эканамічны аналіз», апублікаваны ў 2020 годзе даследчыкамі з Texas Tech, прыйшлі да высновы, што «ўвесь электрычны» аміяк можа быць выраблены прыкладна ў два разы даражэй за звычайны аміяк. Гэта было да рэзкага павышэння цэн на ўгнаенні ў перыяд вегетацыі 2022 г. (гл. Сучасны фермер: «Фермеры змагаюцца за тое, каб не адставаць ад росту коштаў на ўгнаенні).

У інтэрв'ю для гэтага артыкула Майк Рыз з установы Універсітэта Мінесоты кажа, што гэта рашэнне набірае імпульс. У сувязі з ростам кошту прыроднага газу, падзеннем выдаткаў на аднаўляльныя крыніцы электраэнергіі і на першы план выходзіць абавязацельства па змякчэнні наступстваў змены клімату; у цяперашні час існуе шырокі інтарэс да такога роду варыянту «зялёнага аміяку». Рыз кажа, што некалькі буйных кампаній па вытворчасці звычайных угнаенняў шукаюць, як яны могуць зрушыцца ў гэтым кірунку. Апісанне гэтай тэхналогіі Рыз размешчана на сайце цэнтра: «Падсілкоўванне ўстойлівай энергетыкі і сельскай гаспадаркі: пакласці вецер у бутэльку». Даследчыкі UMN таксама апублікавалі адпаведны эканамічны аналіз.

Лагічным сцэнаром з'яўляецца развіццё сярэдніх станцый у дыяпазоне ад 30 да 200 тон у год і размяшчэнне іх у сельскагаспадарчых рэгіёнах, дзе ёсць вялікі патэнцыял для вытворчасці ветравой і сонечнай электраэнергіі. Такім чынам, транспартны след угнаенняў будзе невялікі, а рынак будзе ізаляваны ад сусветных ваганняў коштаў. Відавочна, што будуць неабходныя значныя капіталаўкладанні, але гэта можа быць часткова вырашана шляхам субсідый, выкліканых змяненнем клімату, або за кошт крэдытаў на вуглярод. Гэта змена таксама будзе пазітыўнай для сектара сонечнай і ветравой энергіі, таму што яна вырашае іх патрэбу ў выкарыстанні ў пікавыя перыяды вытворчасці, якія могуць не адпавядаць попытам сеткі. Існуе незалежная лінія інтарэсаў да аміяку як больш бяспечнага сродку захоўвання вадароду для наступнага выкіду шмат розных прыкладанняў.

Як быццам гэтая гісторыя яшчэ не была дастаткова пазітыўнай, ёсць спосаб, што вытворчасць угнаенняў можа быць яшчэ больш «дэкарбонізацыя». Ёсць заводы па біяэтанолу, распаўсюджаныя ў многіх сельскагаспадарчых рэгіёнах ЗША. Калі яны ферментуюць вугляводы з кармоў, такіх як кукурузны крухмал, яны вылучаюць CO2, але ён з'яўляецца «вугляродна-нейтральным» у тым, што адбываецца ў выніку фотасінтэзу апошніх культур. Тым не менш, можна захапіць гэты багаты запас газу і ўступіць у рэакцыю з аміякам для атрымання мачавіны, якая з'яўляецца больш лёгка захоўваемай і прымяняецца формай азотных угнаенняў і якая можа быць пераўтворана ў іншыя распаўсюджаныя склады, такія як КАС або гранулы з павольным вызваленнем. . Устанаўленне гэтай сувязі паміж вытворчасцю аміяку і этанолу будзе мець як дзелавыя, так і лагістычныя перавагі ў дадатак да скарачэння выкіду вугляроду, звязанага з кожным прадуктам.

У заключэнне, электрыфікацыя вытворчасці аміяку для сельскай гаспадаркі з'яўляецца выдатным прыкладам такога рашэння, якое прадугледжваецца «экамадэрністаў», якія сцвярджаюць, што тэхналогіі часта з'яўляюцца рашэннем экалагічных праблем. У гэтым выпадку гэта таксама супадае з неабходнасцю абараніць нашу гаспадарку ад глабальнай нестабільнасці.