האם יש דרך ידידותית יותר לאקלים לדשן יבולים? התשובה עשויה להיות Blowin' In The Wind

צמחים מטבעם "מופעלים באמצעות אנרגיה סולארית", אך ישנה טביעת רגל פחמנית הקשורה לגידולם כגידול. הדלק המשמש להנעת טרקטורים וציוד אחר הוא חלק מטביעת הרגל הזו, אבל המרכיב הגדול ביותר בסדר גודל של 36% קשור לגז הטבעי המשמש לייצור דשני חנקן סינתטיים.

בין שיבושים מונעי סכסוך בשוק הגז הטבעי העולמי לבין הצורך הדחוף לטפל בשינויי האקלים, התלות של דשן חנקן בדלק מאובנים הופכת בלתי נסבלת. הפתרון האידיאלי יהיה למצוא דרך ליצור טביעת רגל נמוכה של חנקן באמצעות אנרגיה מקומית מתחדשת. האם זה אפשרי? במקרה זה התשובה עשויה להיות פשוטו כמשמעו "נושבת ברוח".

צמחים ירוקים מקבלים את האנרגיה לצמוח מהשמש באמצעות תהליך הפוטוסינתזה. הם כן; עם זאת, זקוקים לחומרים מזינים - מינרלים שהם סופגים מהאדמה דרך השורשים שלהם. חנקן, זרחן ואשלגן הם הצרכים הגדולים ביותר של הצמח ובחקלאות או גינון הם מסופקים כדשנים. לאורך ההיסטוריה האנושית, חנקן היה המרכיב המגביל ביותר לייצור יבולים, וככל שהאוכלוסייה גדלה, מקורות החנקן הזמינים כגון זבל בעלי חיים ביתיים או גואנו של ציפורים לא יכלו לספק את כל הדרוש. האתגר של קבלת מספיק חנקן לצמחים הוא אירוני במקצת מכיוון שהאטמוספירה מכילה 78% גז חנקן; עם זאת, הוא די אינרטי ואינו זמין לרוב היצורים החיים. לפני קצת יותר מ -100 שנה מצב הדשנים השתנה. מדען גרמני בשם פריץ הבר המציא זרז ומערכת לחץ כדי להשתמש במימן ובחלק מהחנקן באוויר ולהפוך אותו לאמוניה שהיא צורה זמינה לצמחים. מהנדס אחר בשם קרל בוש שיכלל והרחיב את התהליך כך שעד 1914 ניתן היה לייצר 20 טון ליום של חנקן שמיש.

תהליך "הבר-בוש" זה מבוצע בצורה אופטימלית במתקנים בקנה מידה גדול שכל אחד מייצר בסדר גודל של מיליון טון בשנה, ממקורות גז טבעי או באמצעות גיזוז פחם. גז טבעי מורכב מפחמן אחד וארבעה אטומי מימן, אבל זה רק המימן שדרוש כדי להגיב עם חנקן באוויר לייצור אמוניה (אטום N אחד עם שלושה אטומי מימן). הפחמן במקרה זה הוא ממקור "מאובן" ולכן הוא מהווה "פליטת גזי חממה". יש דרך אחרת ליצור מימן שנקראת אלקטרוליזה. כל מה שצריך זה קצת מים (שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד) וחשמל. תהליך זה מפצל את המימן ומשחרר את החמצן הלא מזיק. בתרחיש זה אין פליטת פחמן. חוקרים ציבוריים ופרטיים ערכו ניסויים בתהליכי הבר-בוש בקנה מידה קטן לייצור אמוניה. ההתמקדות הייתה בשימוש בחשמל מרוח או שמש. הרעיון הזה עובד כבר זמן מה. לדוגמה, בשנת 1, מפעל פיילוט של 2009 מיליון דולר במרכז המחקר וההסברה המרכזי של אוניברסיטת מינסוטה השתמש בחשמל ממתקן כוח רוח מקומי כדי לייצר 3.75 טונות של אמוניה מימית בשנה. זה תואר בראיון עם מייק ריס, מנהל האנרגיה המתחדשת באותו מתקן במינסוטה שפורסם בכתב העת הסחר החקלאי Corn+Soybean Digest. הכותרת המתאימה של המאמר: "להכין דשן מאוויר דליל? שימוש בכוח רוח תקוע לייצור אמוניה מתחדשת יכול לייצב את מחירי ה-N, לבנות שווקי כוח רוח."

אז מה קורה 13 שנים אחרי? כמו בכל תהליך כימי חדש, לוקח זמן לייעול. יש גם יתרונות לגודל שמקשים על התחרות עם תהליך מבוסס היטב בקנה מידה תעשייתי כמו זה המשמש לייצור דשנים מודרניים. עם זאת, ייתכן שגרסאות של טכנולוגיה זו מתקרבות להיתכנות מסחרית. א "ניתוח טכנו-כלכלי" שפורסם בשנת 2020 על ידי חוקרים ב-Texas Tech הגיע למסקנה שניתן לייצר אמוניה "כל חשמלית" בערך פי שניים מהעלות של אמוניה רגילה. זה היה לפני העליות הדרמטיות שנראו במחירי הדשנים לעונת הגידול 2022 (ראה חקלאי מודרני: "חקלאים נאבקים לעמוד בקצב העלייה במחירי הדשנים).

בראיון למאמר זה אומר מייק ריס מהמתקן של אוניברסיטת מינסוטה כי מומנטום בונה לפתרון הזה. עם עליית עלות הגז הטבעי, עלויות החשמל המתחדשות יורדות וההתחייבויות לצמצום שינויי האקלים מגיעות לחזית; יש כעת עניין רחב בסוג זה של אפשרות "אמוניה ירוקה". ריס אומר שכמה מחברות הדשנים הקונבנציונליות בקנה מידה גדול בוחנות כיצד הן עשויות לעבור לכיוון הזה. התיאור של ריס לטכנולוגיה זו פורסם באתר האינטרנט של המרכז: "תדלוק אנרגיה וחקלאות בת קיימא: הכנסת רוח לבקבוק." חוקרי UMN פרסמו גם מחקר בנושא ניתוח כלכלי.

תרחיש הגיוני הוא לפתח מפעלים בקנה מידה בינוני בטווח של 30 עד 200 טון לשנה ולמקם אותם באזורים חקלאיים בהם יש פוטנציאל רב לייצור חשמל ברוח ובשמש. כך טביעת הרגל התחבורתית של הדשן תהיה קטנה והשוק יהיה מבודד משינויי המחירים העולמיים. ברור שיהיה צורך בהשקעות הון משמעותיות, אבל זה עשוי להיות מטופל באופן חלקי באמצעות סובסידיות מונעות שינויי אקלים או באמצעות אשראי פחמן. שינוי זה יהיה חיובי גם עבור מגזר אנרגיית השמש והרוח מכיוון שהוא נותן מענה לצורך שלהם בניצול בתקופות ייצור שיא, שאולי לא תואמות את הביקוש לרשת. קיים קו עניין עצמאי באמוניה כאמצעי בטוח יותר לאחסון מימן לשחרור מאוחר יותר עבור יישומים רבים ושונים.

כאילו הסיפור הזה לא היה מספיק חיובי כבר, יש דרך שייצור דשן יכול להיות אפילו יותר "לפחם". ישנם מפעלי ביואתנול הפזורים באזורי חקלאות רבים בארה"ב. כאשר הם מתסיסים את הפחמימות של חומרי מזון כמו עמילן תירס הם פולטים CO2, אבל זה "נייטרלי פחמן" בכך שהוא מגיע מפוטוסינתזה של יבול לאחרונה. עם זאת, ניתן ללכוד את האספקה ​​השופעת של גז ולהגיב אותו עם אמוניה כדי לייצר אוריאה שהיא צורה קלה יותר מאוחסנת ומיושמת של דשן חנקן וכזה שניתן להמיר לניסוחים נפוצים אחרים כגון UAN או כדורים בשחרור איטי. . ליצירת הקשר הזה בין אמוניה לייצור אתנול יהיו גם יתרונות עסקיים וגם לוגיסטיים בנוסף להפחתת טביעת הרגל הפחמנית הקשורה לכל מוצר.

לסיכום, חשמול של ייצור אמוניה לחקלאות נראה כדוגמה מצוינת לסוג הפתרון שחזונו על ידי "אקומודרניסטים" שטוענים שטכנולוגיה היא לרוב הפתרון לאתגרים סביבתיים. במקרה הזה זה גם מתיישב עם הצורך להגן על כלכלת החווה שלנו מאי יציבות עולמית.