Existuje způsob hnojení plodin, který je šetrnější ke klimatu? Odpověď může foukat ve větru

Rostliny jsou přirozeně „na solární pohon“, ale jejich pěstování jako plodiny je spojeno s uhlíkovou stopou. Palivo používané k pohonu traktorů a dalšího vybavení je součástí této stopy, ale největší složkou řádově 36 % je spojován se zemním plynem používaným k výrobě syntetických dusíkatých hnojiv.

Mezi konflikty způsobenými narušením globálního trhu se zemním plynem a naléhavou potřebou řešit změnu klimatu se závislost dusíkatých hnojiv na fosilních palivech stává neudržitelnou. Ideálním řešením by bylo najít způsob, jak zajistit dodávku dusíku s nízkou uhlíkovou stopou pomocí místní obnovitelné energie. Je to možné? V tomto případě může být odpověď doslova „foukat ve větru“.

Zelené rostliny získávají energii k růstu ze slunce prostřednictvím procesu fotosyntézy. Dělají; potřebují však živiny – minerály, které vstřebávají z půdy svými kořeny. Dusík, fosfor a draslík jsou největšími potřebami rostliny a v zemědělství nebo zahradnictví jsou dodávány jako hnojiva. V celé historii lidstva byl dusík nejvíce omezujícím prvkem pro produkci plodin a jak se populace zvětšovala, dostupné zdroje dusíku, jako je hnůj domácích zvířat nebo ptačí guáno, nemohly dodat vše, co bylo potřeba. Výzva získat dostatek dusíku pro rostliny je poněkud ironická, protože atmosféra obsahuje 78 % plynného dusíku; je však zcela inertní a pro většinu živých věcí nedostupný. Před více než 100 lety situace s hnojivy se změnila. Německý vědec Fritz Haber přišel s katalyzátorem a tlakovým systémem, který využívá vodík a část dusíku ve vzduchu a přeměňuje jej na amoniak, což je forma dostupná rostlinám. Další inženýr jménem Carl Bosch zdokonalil a rozšířil proces tak, že do roku 1914 bylo možné vyrobit 20 tun využitelného dusíku za den.

Tento proces „Haber-Bosch“ se optimálně provádí ve velkých zařízeních, z nichž každé produkuje řádově 1 milion tun ročně buď ze zdrojů zemního plynu, nebo prostřednictvím zplyňování uhlí. Zemní plyn se skládá z jednoho uhlíku a čtyř atomů vodíku, ale je to pouze vodík, který je potřebný k reakci s dusíkem ve vzduchu k vytvoření amoniaku (jeden atom N se třemi atomy vodíku). Uhlík v tomto případě pochází z „fosilního“ zdroje, takže představuje „emise skleníkových plynů“. Existuje jiný způsob výroby vodíku zvaný elektrolýza. Vše, co je potřeba, je trochu vody (dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku) a elektřina. Tento proces odštěpuje vodík a uvolňuje neškodný kyslík. V tomto scénáři nedochází k emisím uhlíku. Veřejní a soukromí výzkumníci experimentují s Haber-Boschovými procesy výroby amoniaku v malém měřítku. Důraz byl kladen na využití elektřiny vyrobené větrem nebo sluncem. Na tomto konceptu se již nějakou dobu pracuje. Například v roce 2009 využívala elektřina z místního větrného zařízení k výrobě 3.75 tun bezvodého čpavku ročně pilotní závod v hodnotě 25 milionu dolarů na West Central Research and Outreach Center na University of Minnesota. To bylo popsáno v rozhovoru s Mikem Reesem, ředitelem obnovitelné energie v továrně v Minnesotě, publikovaným v zemědělském odborném časopise Corn+Soybean Digest. Článek měl výstižný název: „Vyrobit hnojivo z řídkého vzduchu? Použití uvázlé větrné energie k výrobě obnovitelného čpavku by mohlo stabilizovat ceny dusíku a vybudovat trhy s větrnou energií.“

Co se tedy děje o 13 let později? Jako u každého nového chemického procesu potřebuje čas na optimalizaci. Existují také úspory z rozsahu, kvůli kterým je obtížné konkurovat dobře zavedenému procesu v průmyslovém měřítku, jako je ten, který se používá při výrobě moderních hnojiv. Je však možné, že verze této technologie se blíží komerční proveditelnosti. A "Technoekonomická analýza“, publikované v roce 2020 výzkumníky z Texas Tech, dospěli k závěru, že „zcela elektrický“ čpavek by mohl být vyroben za přibližně dvojnásobek nákladů na konvenční komoditní čpavek. To bylo před dramatickým zvýšením cen hnojiv pro vegetační sezónu 2022 (viz Moderní farmář: „Farmáři se snaží udržet krok s rostoucími cenami hnojiv).

V rozhovoru pro tento článek Mike Reese ze zařízení University of Minnesota říká, že toto řešení nabírá na síle. S rostoucími cenami zemního plynu, klesajícími náklady na elektřinu z obnovitelných zdrojů a do popředí zájmu se dostávají závazky ke zmírnění změny klimatu; o tento druh „zeleného čpavku“ je nyní velký zájem. Reese říká, že několik velkých společností vyrábějících konvenční hnojiva zvažuje, jak by se mohly posunout tímto směrem. Reeseův popis této technologie je zveřejněn na webových stránkách centra: “Palivo pro udržitelnou energii a zemědělství: Vložit vítr do láhve.“ Výzkumníci UMN také zveřejnili související ekonomická analýza.

Logickým scénářem je vývoj středně velkých závodů v rozsahu 30 až 200 tun/rok a jejich umístění v zemědělských regionech, kde je velký potenciál pro výrobu elektřiny z větru a slunce. Tímto způsobem by byla přepravní stopa hnojiva malá a trh by byl izolován od globálních cenových výkyvů. Zjevně by byla potřeba značných kapitálových investic, ale to by se dalo částečně řešit dotacemi na základě změny klimatu nebo prostřednictvím uhlíkových kreditů. Tato změna by byla pozitivní i pro sektor solární a větrné energie, protože řeší jejich potřebu využití v obdobích špičkové produkce, která nemusí odpovídat poptávce v síti. Existuje nezávislá řada zájmu o čpavek jako bezpečnější prostředek pro skladování vodíku pro pozdější uvolnění mnoho různých aplikací.

Jako by tento příběh nebyl dostatečně pozitivní, existuje způsob, jak by mohla být výroba hnojiv ještě dále „dekarbonizována“. V mnoha zemědělských oblastech USA jsou závody na výrobu bioetanolu. Když fermentují sacharidy z krmných surovin, jako je kukuřičný škrob, uvolňují CO2, ale ten je „uhlíkově neutrální“, protože pochází z nedávné fotosyntézy plodin. Je však možné zachytit tuto hojnou zásobu plynu a reagovat s amoniakem za vzniku močoviny, která je snáze skladovatelnou a aplikovanou formou dusíkatého hnojiva a kterou lze přeměnit na jiné běžné přípravky, jako je UAN nebo pelety s pomalým uvolňováním . Vytvoření tohoto spojení mezi výrobou čpavku a etanolu by kromě snížení uhlíkové stopy spojené s každým produktem mělo obchodní i logistické výhody.

Závěrem lze říci, že elektrifikace výroby amoniaku pro zemědělství se zdá být vynikajícím příkladem řešení, které si představuje „ekomodernisté“, kteří tvrdí, že technologie je často řešením environmentálních problémů. V tomto případě je to také v souladu s potřebou chránit naši zemědělskou ekonomiku před globální nestabilitou.