آیا راه سازگارتر با آب و هوا برای بارور کردن محصولات وجود دارد؟ پاسخ ممکن است دمیدن در باد

گیاهان به طور طبیعی از انرژی خورشیدی استفاده می کنند، اما ردپای کربنی با رشد آنها به عنوان یک محصول وجود دارد. سوختی که برای تامین انرژی تراکتورها و سایر تجهیزات استفاده می شود، بخشی از این ردپای است، اما بزرگترین جزء است در حدود 36٪ با گاز طبیعی مورد استفاده در ساخت کودهای نیتروژن مصنوعی مرتبط است.

بین اختلالات ناشی از درگیری در بازار جهانی گاز طبیعی و نیاز فوری به رسیدگی به تغییرات آب و هوا، وابستگی کودهای نیتروژن به سوخت فسیلی غیرقابل دفاع می شود. راه‌حل ایده‌آل یافتن راهی برای تامین ردپای کربن کم نیتروژن با استفاده از انرژی محلی و تجدیدپذیر است. آیا چنین چیزی امکان پذیر است؟ در این مورد ممکن است پاسخ به معنای واقعی کلمه «وزن در باد» باشد.

گیاهان سبز انرژی لازم برای رشد را از طریق فرآیند فتوسنتز از خورشید دریافت می کنند. انجام می دهند؛ با این حال، به مواد مغذی نیاز دارند - مواد معدنی که از طریق ریشه از خاک جذب می شوند. نیتروژن، فسفر و پتاسیم بیشترین نیاز این گیاه است و در کشاورزی یا باغبانی به عنوان کود تامین می شود. در طول تاریخ بشر، نیتروژن محدودترین عنصر برای تولید محصولات زراعی بود، و با افزایش جمعیت، منابع نیتروژن موجود مانند کود حیوانی خانگی یا گوانو پرندگان نمی‌توانستند همه چیز مورد نیاز را تامین کنند. چالش دریافت نیتروژن کافی برای گیاهان تا حدودی طعنه آمیز است زیرا جو حاوی 78 درصد گاز نیتروژن است. با این حال، برای اکثر موجودات زنده کاملاً بی اثر است و در دسترس نیست. فقط بیش از 100 سال پیش وضعیت کود تغییر کرد. یک دانشمند آلمانی به نام فریتز هابر با یک سیستم کاتالیزور و فشار برای استفاده از هیدروژن و مقداری از نیتروژن موجود در هوا و تبدیل آن به آمونیاک که در دسترس گیاهان است، ابداع کرد. مهندس دیگری به نام کارل بوش این فرآیند را به کمال رساند و آن را افزایش داد به طوری که تا سال 1914 امکان تولید 20 تن در روز نیتروژن قابل استفاده وجود داشت.

این فرآیند "هابر-بوش" به طور بهینه در تاسیسات در مقیاس بزرگ انجام می شود که هر یک به ترتیب 1 میلیون تن در سال از منابع گاز طبیعی یا از طریق گازسازی زغال سنگ تولید می کنند. گاز طبیعی از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است، اما تنها هیدروژن است که برای واکنش با نیتروژن موجود در هوا برای ساخت آمونیاک (یک اتم N با سه اتم هیدروژن) مورد نیاز است. کربن در این مورد از یک منبع "فسیلی" است، بنابراین "انتشار گازهای گلخانه ای" را تشکیل می دهد. روش دیگری برای تولید هیدروژن به نام الکترولیز وجود دارد. تنها چیزی که نیاز است مقداری آب (دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن) و برق است. این فرآیند هیدروژن را جدا می کند و اکسیژن بی ضرر را آزاد می کند. در این سناریو هیچ انتشار کربن وجود ندارد. محققان دولتی و خصوصی در حال آزمایش فرآیندهای Haber-Bosch در مقیاس کوچک برای تولید آمونیاک هستند. تمرکز بر استفاده از برق تولید شده توسط باد یا خورشید بوده است. این مفهوم مدتی است که در کار بوده است. به عنوان مثال در سال 2009 یک کارخانه آزمایشی 3.75 میلیون دلاری در مرکز تحقیقات و توسعه مرکزی غرب دانشگاه مینه سوتا از برق یک تأسیسات برق بادی محلی برای تولید 25 تن آمونیاک بی آب در سال استفاده می کرد. این در مصاحبه ای با مایک ریس، مدیر انرژی های تجدیدپذیر در تاسیسات مینه سوتا که در مجله تجارت کشاورزی Corn+Soybean Digest منتشر شد، توضیح داده شد. عنوان مقاله به درستی بود: از هوای رقیق کود بسازید؟ استفاده از نیروی باد رشته‌ای برای تولید آمونیاک تجدیدپذیر می‌تواند قیمت‌های N را تثبیت کند، بازارهای انرژی بادی ایجاد کند.»

پس 13 سال بعد چه اتفاقی می افتد؟ مانند هر فرآیند شیمیایی جدید، بهینه سازی زمان می برد. همچنین صرفه جویی در مقیاس وجود دارد که رقابت با یک فرآیند به خوبی تثبیت شده در مقیاس صنعتی مانند آنچه برای تولید کود مدرن استفاده می شود را دشوار می کند. با این حال، ممکن است که نسخه‌های این فناوری به یک امکان تجاری نزدیک می‌شوند. آ "تحلیل فنی-اقتصادیدر سال 2020 توسط محققان تگزاس Tech منتشر شد و به این نتیجه رسید که آمونیاک "تمام الکتریکی" را می توان با دو برابر هزینه آمونیاک معمولی تولید کرد. این قبل از افزایش چشمگیر قیمت کودهای شیمیایی برای فصل رشد 2022 بود (نگاه کنید به کشاورز مدرن: "کشاورزان در تلاش هستند تا با افزایش قیمت کودها ادامه دهند).

مایک ریس از دانشگاه مینه‌سوتا در مصاحبه‌ای برای این مقاله می‌گوید که شتابی برای این راه‌حل در حال ایجاد است. با افزایش هزینه گاز طبیعی، هزینه های برق تجدیدپذیر کاهش می یابد و تعهدات برای کاهش تغییرات آب و هوا در خط مقدم قرار می گیرند. اکنون علاقه گسترده ای به این نوع گزینه "آمونیاک سبز" وجود دارد. ریس می‌گوید که چندین شرکت کودهای معمولی در مقیاس بزرگ در حال بررسی چگونگی تغییر در این مسیر هستند. توضیحات ریس از این فناوری در وب سایت این مرکز قرار داده شده است:سوخت رسانی به انرژی پایدار و کشاورزی: ​​قرار دادن باد در یک بطری" محققان UMN نیز یک مطلب مرتبط را منتشر کرده اند تجزیه و تحلیل اقتصادی.

یک سناریوی منطقی توسعه نیروگاه‌های مقیاس متوسط ​​در محدوده 30 تا 200 تن در سال و قرار دادن آنها در سراسر مناطق کشاورزی است که پتانسیل زیادی برای تولید برق بادی و خورشیدی وجود دارد. به این ترتیب ردپای حمل و نقل کود کم خواهد شد و بازار از نوسانات قیمت جهانی محافظت می شود. بدیهی است که نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی وجود دارد، اما ممکن است تا حدی از طریق یارانه های ناشی از تغییرات آب و هوایی یا از طریق اعتبارات کربن برطرف شود. این تغییر همچنین برای بخش انرژی خورشیدی و بادی مثبت خواهد بود زیرا نیاز آنها را برای استفاده در دوره های اوج تولید که ممکن است با تقاضای شبکه مطابقت نداشته باشد برطرف می کند. یک خط مستقل مورد علاقه در آمونیاک به عنوان وسیله ای امن تر برای ذخیره هیدروژن برای انتشار بعدی وجود دارد بسیاری از برنامه های کاربردی مختلف.

همانطور که اگر این داستان قبلاً به اندازه کافی مثبت نبود، راهی وجود دارد که تولید کود می تواند حتی بیشتر «کربن زدایی شود». گیاهان بیواتانول در بسیاری از مناطق کشاورزی ایالات متحده پخش شده اند. هنگامی که آنها کربوهیدرات های موجود در خوراک مانند نشاسته ذرت را تخمیر می کنند، CO2 منتشر می کنند، اما "کربن خنثی" است زیرا از فتوسنتز اخیر محصولات حاصل می شود. با این حال، می‌توان آن ذخایر فراوان گاز را جذب کرد و با آمونیاک واکنش داد تا اوره تولید کند که به راحتی ذخیره‌سازی و اعمال می‌شود و می‌توان آن را به فرمول‌های رایج دیگر مانند UAN یا گلوله‌های آهسته رهش تبدیل کرد. . ایجاد این ارتباط بین تولید آمونیاک و اتانول علاوه بر کاهش ردپای کربن مرتبط با هر محصول، دارای مزایای تجاری و لجستیکی نیز خواهد بود.

در نتیجه، به نظر می رسد برقی کردن تولید آمونیاک برای کشاورزی نمونه ای عالی از نوع راه حلی باشد که توسط "اکو مدرنیست هاکه استدلال می کنند که فناوری اغلب راه حلی برای چالش های زیست محیطی است. در این مورد نیز با نیاز به حفاظت از اقتصاد مزرعه ما در برابر بی ثباتی جهانی هماهنگ است.