Gibt es eine klimafreundlichere Art, Pflanzen zu düngen? Die Antwort kann im Wind wehen

Pflanzen werden von Natur aus „solarbetrieben“, aber der Anbau als Nutzpflanze hinterlässt einen COXNUMX-Fußabdruck. Der Kraftstoff, der zum Antrieb von Traktoren und anderen Geräten verwendet wird, ist Teil dieses Fußabdrucks, aber der größte Anteil in der Größenordnung von 36 % steht im Zusammenhang mit dem Erdgas, das zur Herstellung synthetischer Stickstoffdünger verwendet wird.

Aufgrund konfliktbedingter Störungen auf dem globalen Erdgasmarkt und der dringenden Notwendigkeit, den Klimawandel anzugehen, wird die Abhängigkeit von Stickstoffdünger von fossilen Brennstoffen immer unhaltbarer. Die ideale Lösung bestünde darin, einen Weg zu finden, mit lokaler, erneuerbarer Energie eine Stickstoffversorgung mit geringem COXNUMX-Fußabdruck zu gewährleisten. Ist das möglich? In diesem Fall könnte die Antwort buchstäblich „im Wind wehen“ lauten.

Grüne Pflanzen erhalten die Energie zum Wachstum durch den Prozess der Photosynthese von der Sonne. Tun sie; Allerdings benötigen sie Nährstoffe – Mineralien, die sie über ihre Wurzeln aus dem Boden aufnehmen. Stickstoff, Phosphor und Kalium sind die wichtigsten Nährstoffe der Pflanze und werden in der Landwirtschaft oder im Gartenbau als Düngemittel zugeführt. Im Laufe der Menschheitsgeschichte war Stickstoff das am stärksten limitierende Element für die Pflanzenproduktion, und als die Bevölkerung zunahm, konnten die verfügbaren Stickstoffquellen wie Haustiermist oder Vogelguano nicht alles liefern, was benötigt wurde. Die Herausforderung, ausreichend Stickstoff für Pflanzen bereitzustellen, ist etwas ironisch, da die Atmosphäre zu 78 % aus Stickstoffgas besteht; Es ist jedoch ziemlich träge und für die meisten Lebewesen nicht verfügbar. Vor etwas mehr als 100 Jahren Die Düngesituation hat sich verändert. Ein deutscher Wissenschaftler namens Fritz Haber entwickelte einen Katalysator und ein Drucksystem, um Wasserstoff und einen Teil des Stickstoffs in der Luft zu nutzen und ihn in Ammoniak umzuwandeln, eine für Pflanzen verfügbare Form. Ein anderer Ingenieur namens Carl Bosch perfektionierte und skalierte das Verfahren, sodass es 1914 möglich war, 20 Tonnen nutzbaren Stickstoff pro Tag zu produzieren.

Dieses „Haber-Bosch“-Verfahren wird optimal in Großanlagen durchgeführt, die jeweils etwa 1 Million Tonnen pro Jahr entweder aus Erdgasquellen oder durch Kohlevergasung produzieren. Erdgas besteht aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen, aber es ist nur der Wasserstoff, der benötigt wird, um mit dem Stickstoff in der Luft zu Ammoniak (einem N-Atom mit drei Wasserstoffatomen) zu reagieren. Der Kohlenstoff stammt in diesem Fall aus einer „fossilen“ Quelle und stellt somit eine „Treibhausgasemission“ dar. Es gibt eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu erzeugen, die Elektrolyse. Benötigt werden lediglich etwas Wasser (zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom) und Elektrizität. Bei diesem Prozess wird der Wasserstoff abgespalten und der unschädliche Sauerstoff freigesetzt. In diesem Szenario gibt es keinen Kohlenstoffausstoß. Öffentliche und private Forscher experimentieren mit Haber-Bosch-Verfahren im kleinen Maßstab zur Herstellung von Ammoniak. Der Schwerpunkt lag auf der Nutzung von Wind- oder Solarstrom. Dieses Konzept ist schon seit einiger Zeit in Arbeit. Beispielsweise nutzte 2009 eine 3.75 Millionen US-Dollar teure Pilotanlage für das West Central Research and Outreach Center der University of Minnesota den Strom einer örtlichen Windkraftanlage, um 25 Tonnen wasserfreies Ammoniak pro Jahr zu produzieren. Dies wurde in einem Interview mit Mike Reese, dem Direktor für erneuerbare Energien an dieser Anlage in Minnesota, beschrieben, das in der landwirtschaftlichen Fachzeitschrift Corn+Soybean Digest veröffentlicht wurde. Der Artikel hatte den treffenden Titel: „Dünger aus dünner Luft herstellen? Die Nutzung von gestrandeter Windkraft zur Herstellung von erneuerbarem Ammoniak könnte die N-Preise stabilisieren und Windkraftmärkte aufbauen.“

Was passiert also 13 Jahre später? Wie bei jedem neuen chemischen Prozess braucht die Optimierung Zeit. Es gibt auch Skaleneffekte, die es schwierig machen, mit einem gut etablierten, großtechnischen Verfahren, wie es für die moderne Düngemittelproduktion verwendet wird, zu konkurrieren. Es ist jedoch möglich, dass Versionen dieser Technologie sich der kommerziellen Machbarkeit nähern. A "Technoökonomische AnalyseDie im Jahr 2020 von Forschern der Texas Tech veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass „vollelektrisches“ Ammoniak zu etwa doppelt so hohen Kosten wie herkömmliches Standardammoniak hergestellt werden könnte. Das war vor den dramatischen Anstiegen der Düngemittelpreise für die Vegetationsperiode 2022 (siehe Moderner Landwirt: „Landwirte haben Mühe, mit den steigenden Düngemittelpreisen Schritt zu halten.“).

In einem Interview für diesen Artikel sagt Mike Reese von der Einrichtung der University of Minnesota, dass die Dynamik für diese Lösung zunimmt. Da die Kosten für Erdgas steigen, die Kosten für erneuerbaren Strom sinken und das Engagement für die Eindämmung des Klimawandels in den Vordergrund rückt; Mittlerweile besteht ein breites Interesse an dieser Art von „grünem Ammoniak“. Reese sagt, dass mehrere der großen Hersteller konventioneller Düngemittel darüber nachdenken, wie sie in diese Richtung wechseln könnten. Reeses Beschreibung dieser Technologie ist auf der Website des Zentrums veröffentlicht: „Förderung nachhaltiger Energie und Landwirtschaft: Wind in eine Flasche stecken.“ UMN-Forscher haben auch eine verwandte Studie veröffentlicht Wirtschaftsanalyse.

Ein logisches Szenario besteht darin, mittelgroße Anlagen im Bereich von 30 bis 200 Tonnen/Jahr zu entwickeln und diese in landwirtschaftlich genutzten Regionen anzusiedeln, in denen viel Potenzial für die Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie besteht. Auf diese Weise wäre der Transportaufwand des Düngemittels gering und der Markt wäre von globalen Preisschwankungen abgeschirmt. Offensichtlich wären erhebliche Kapitalinvestitionen erforderlich, die jedoch teilweise durch klimawandelbedingte Subventionen oder Emissionsgutschriften angegangen werden könnten. Diese Änderung wäre auch für den Solar- und Windenergiesektor positiv, da sie deren Bedarf an Nutzung während Spitzenproduktionszeiten berücksichtigt, die möglicherweise nicht mit der Netznachfrage übereinstimmen. Es gibt ein unabhängiges Interesse an Ammoniak als sichereres Mittel zur Speicherung von Wasserstoff für eine spätere Freisetzung viele verschiedene Anwendungen.

Als ob diese Geschichte nicht schon positiv genug wäre, gibt es eine Möglichkeit, die Düngemittelproduktion noch weiter zu „dekarbonisieren“. In vielen landwirtschaftlichen Regionen der USA gibt es Bioethanolanlagen. Wenn sie die Kohlenhydrate aus Futtermitteln wie Maisstärke fermentieren, emittieren sie CO2, das jedoch „kohlenstoffneutral“ ist, da es aus der Photosynthese neuer Nutzpflanzen stammt. Es ist jedoch möglich, diesen reichlichen Gasvorrat einzufangen und mit Ammoniak zu Harnstoff zu reagieren, der eine leichter zu lagernde und auszubringende Form von Stickstoffdünger ist und in andere gängige Formulierungen wie UAN oder Pellets mit langsamer Freisetzung umgewandelt werden kann . Diese Verbindung zwischen der Ammoniak- und der Ethanolproduktion hätte neben der mit jedem Produkt verbundenen Reduzierung des COXNUMX-Fußabdrucks sowohl geschäftliche als auch logistische Vorteile.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Elektrifizierung der Ammoniakproduktion für die Landwirtschaft ein hervorragendes Beispiel für die Art von Lösung zu sein scheint, die von „Ökomodernisten“, die argumentieren, dass Technologie oft die Lösung für Umweltprobleme ist. In diesem Fall steht dies auch im Einklang mit der Notwendigkeit, unsere Agrarwirtschaft vor globaler Instabilität zu schützen.