มีวิธีให้ปุ๋ยแก่พืชผลที่เป็นมิตรต่อสภาพอากาศมากกว่านี้หรือไม่? คำตอบอาจปลิวไปตามสายลม

พืชเป็น "พลังงานแสงอาทิตย์" ตามธรรมชาติ แต่มีคาร์บอนฟุตพริ้นท์ที่เกี่ยวข้องกับการปลูกพืชเป็นพืชผล เชื้อเพลิงที่ใช้ขับเคลื่อนรถแทรกเตอร์และอุปกรณ์อื่นๆ เป็นส่วนหนึ่งของรอยเท้าดังกล่าว แต่เป็นส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุด ตามคำสั่งของ 36% มีความเกี่ยวข้องกับก๊าซธรรมชาติที่ใช้ทำปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์

ระหว่างการหยุดชะงักที่ขับเคลื่อนด้วยความขัดแย้งในตลาดก๊าซธรรมชาติทั่วโลกและความจำเป็นเร่งด่วนในการแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลของปุ๋ยไนโตรเจนกลายเป็นสิ่งที่ป้องกันไม่ได้ ทางออกที่ดีคือการหาวิธีผลิตไนโตรเจนที่ปล่อยคาร์บอนฟุตพริ้นท์ต่ำโดยใช้พลังงานหมุนเวียนในท้องถิ่น เป็นไปได้ไหม? ในกรณีนี้ คำตอบอาจเป็น "ลมพัด" อย่างแท้จริง

พืชสีเขียวได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง พวกเขาทำ; อย่างไรก็ตามต้องการสารอาหาร – แร่ธาตุที่ดูดซับจากดินผ่านทางราก ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโปแตสเซียมเป็นความต้องการสูงสุดของพืช และในการเกษตรหรือการทำสวน สิ่งเหล่านี้จะถูกนำมาใช้เป็นปุ๋ย ตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษย์ ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่จำกัดที่สุดสำหรับการผลิตพืชผล และเมื่อประชากรเพิ่มแหล่งไนโตรเจนที่มีอยู่ เช่น มูลสัตว์หรือมูลนกก็ไม่สามารถจัดหาทุกสิ่งที่จำเป็นได้ ความท้าทายในการได้รับไนโตรเจนเพียงพอสำหรับพืชนั้นค่อนข้างน่าขันเพราะในบรรยากาศประกอบด้วยก๊าซไนโตรเจน 78%; อย่างไรก็ตามมันค่อนข้างเฉื่อยและไม่สามารถใช้งานได้กับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ เมื่อ 100 กว่าปีที่แล้ว สถานการณ์ปุ๋ยเปลี่ยนไป นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ Fritz Haber ได้คิดค้นระบบเร่งปฏิกิริยาและแรงดันเพื่อใช้ไฮโดรเจนและไนโตรเจนบางส่วนในอากาศและเปลี่ยนให้เป็นแอมโมเนียซึ่งเป็นรูปแบบที่พืชสามารถใช้ได้ วิศวกรอีกคนหนึ่งชื่อ Carl Bosch ได้ทำให้กระบวนการสมบูรณ์แบบและขยายใหญ่ขึ้น เพื่อให้ภายในปี 1914 สามารถผลิตไนโตรเจนที่ใช้งานได้ 20 ตัน/วัน

กระบวนการ “Haber-Bosch” นี้ดำเนินการอย่างเหมาะสมในโรงงานขนาดใหญ่ซึ่งแต่ละแห่งผลิตตามลำดับ 1 ล้านตันต่อปีไม่ว่าจะจากแหล่งก๊าซธรรมชาติหรือผ่านการแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติประกอบด้วยคาร์บอน 2009 อะตอมและไฮโดรเจน 3.75 อะตอม แต่ไฮโดรเจนเท่านั้นที่จำเป็นในการทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนในอากาศเพื่อสร้างแอมโมเนีย (อะตอม N หนึ่งตัวมีไฮโดรเจนสามอะตอม) คาร์บอนในกรณีนั้นมาจากแหล่ง "ฟอสซิล" จึงถือเป็น "การปล่อยก๊าซเรือนกระจก" มีวิธีการที่แตกต่างกันในการสร้างไฮโดรเจนที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส สิ่งที่จำเป็นคือน้ำ (ไฮโดรเจน 25 อะตอมและออกซิเจน XNUMX อะตอม) และไฟฟ้า กระบวนการนี้แยกไฮโดรเจนออกและปล่อยออกซิเจนที่ไม่เป็นอันตราย ในสถานการณ์สมมตินี้ไม่มีการปล่อยคาร์บอน นักวิจัยภาครัฐและเอกชนได้ทำการทดลองกับกระบวนการผลิตขนาดเล็กของ Haber-Bosch เพื่อผลิตแอมโมเนีย โดยมุ่งเน้นที่การใช้ไฟฟ้าจากลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์ แนวคิดนี้ได้รับในผลงานมาระยะหนึ่งแล้ว ตัวอย่างเช่น ในปี XNUMX โรงงานนำร่องมูลค่า XNUMX ล้านดอลลาร์สำหรับศูนย์วิจัยและเผยแพร่ข้อมูลทางตะวันตกของมหาวิทยาลัยมินนิโซตา ใช้ไฟฟ้าจากแหล่งผลิตพลังงานลมในท้องถิ่นเพื่อผลิตแอมโมเนียปราศจากน้ำ XNUMX ตันต่อปี สิ่งนี้อธิบายไว้ในการสัมภาษณ์กับ Mike Reese ผู้อำนวยการด้านพลังงานหมุนเวียนของโรงงานในมินนิโซตาที่ตีพิมพ์ในวารสารการค้าทางการเกษตร Corn+Soybean Digest บทความนี้มีชื่อเรื่องว่า: “ทำปุ๋ยจากอากาศบาง? การใช้พลังงานลมที่ควั่นเพื่อสร้างแอมโมเนียหมุนเวียนสามารถทำให้ราคา N มีเสถียรภาพและสร้างตลาดพลังงานลมได้”

แล้วจะเกิดอะไรขึ้นอีก 13 ปีต่อมา? เช่นเดียวกับกระบวนการทางเคมีใหม่ๆ ต้องใช้เวลาในการปรับให้เหมาะสม นอกจากนี้ยังมีการประหยัดจากขนาดที่ทำให้ยากต่อการแข่งขันกับกระบวนการระดับอุตสาหกรรมที่เป็นที่ยอมรับอย่างดี เช่นเดียวกับที่ใช้สำหรับการผลิตปุ๋ยสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่ารุ่นของเทคโนโลยีนี้กำลังใกล้ถึงความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ เอ “การวิเคราะห์ทางเทคโน-เศรษฐกิจเผยแพร่ในปี 2020 โดยนักวิจัยที่ Texas Tech สรุปว่าสามารถผลิตแอมโมเนีย "ไฟฟ้าทั้งหมด" ได้ในราคาประมาณสองเท่าของแอมโมเนียสินค้าโภคภัณฑ์ทั่วไป นั่นคือก่อนที่ราคาปุ๋ยจะเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับฤดูปลูก 2022 (ดู เกษตรกรยุคใหม่: “เกษตรกรดิ้นรนเพื่อให้ทันกับราคาปุ๋ยที่เพิ่มขึ้น).

ในการให้สัมภาษณ์สำหรับบทความนี้ Mike Reese จากมหาวิทยาลัยมินนิโซตากล่าวว่าโมเมนตัมกำลังสร้างขึ้นสำหรับโซลูชันนี้ ด้วยต้นทุนก๊าซธรรมชาติที่เพิ่มขึ้น ค่าไฟฟ้าหมุนเวียนลดลง และความมุ่งมั่นในการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในระดับแนวหน้า ขณะนี้มีความสนใจอย่างกว้างขวางในตัวเลือก "แอมโมเนียสีเขียว" ประเภทนี้ Reese กล่าวว่าบริษัทปุ๋ยทั่วไปขนาดใหญ่หลายแห่งกำลังมองหาวิธีที่พวกเขาจะเปลี่ยนไปในทิศทางนี้ คำอธิบายของ Reese เกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้ถูกโพสต์บนเว็บไซต์ของศูนย์: “เติมเชื้อเพลิงให้พลังงานและการเกษตรที่ยั่งยืน: เติมลมลงในขวด” นักวิจัยของ UMN ยังได้ตีพิมพ์บทความที่เกี่ยวข้อง การวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์.

สถานการณ์สมมติที่สมเหตุสมผลคือการพัฒนาโรงงานขนาดกลางในช่วง 30 ถึง 200 ตัน/ปี และตั้งโรงงานดังกล่าวทั่วพื้นที่เกษตรกรรมซึ่งมีศักยภาพมากมายสำหรับการผลิตไฟฟ้าจากลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยวิธีนี้การขนส่งปุ๋ยจะมีขนาดเล็กและตลาดจะถูกป้องกันจากการแกว่งของราคาทั่วโลก เห็นได้ชัดว่ามีความจำเป็นสำหรับการลงทุนจำนวนมาก แต่นั่นอาจได้รับการแก้ไขบางส่วนผ่านการอุดหนุนที่ขับเคลื่อนด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศหรือผ่านเครดิตคาร์บอน การเปลี่ยนแปลงนี้จะเป็นผลดีต่อภาคส่วนพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมด้วย เนื่องจากเป็นการตอบสนองต่อความต้องการใช้ไฟฟ้าในช่วงที่มีการผลิตสูงสุดซึ่งอาจไม่สอดคล้องกับความต้องการใช้โครงข่ายไฟฟ้า มีกลุ่มผลิตภัณฑ์แอมโมเนียที่เป็นอิสระซึ่งเป็นวิธีที่ปลอดภัยกว่าในการจัดเก็บไฮโดรเจนสำหรับการปล่อยในภายหลัง แอพพลิเคชั่นต่างๆมากมาย.

ราวกับว่าเรื่องนี้ยังไม่เป็นบวกเพียงพอ มีวิธีหนึ่งที่การผลิตปุ๋ยสามารถ “กำจัดคาร์บอน” ได้อีกทางหนึ่ง มีโรงงานไบโอเอธานอลกระจายอยู่ทั่วพื้นที่เกษตรกรรมของสหรัฐฯ หลายแห่ง เมื่อพวกมันหมักคาร์โบไฮเดรตจากแหล่งอาหารสัตว์ เช่น แป้งข้าวโพด พวกมันจะปล่อย CO2 แต่มันเป็น "คาร์บอนที่เป็นกลาง" เนื่องจากมันมาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชเมื่อเร็วๆ นี้ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะดักจับก๊าซที่มีปริมาณมาก และทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเพื่อผลิตยูเรีย ซึ่งเป็นรูปแบบปุ๋ยไนโตรเจนที่จัดเก็บและนำไปใช้ได้ง่ายกว่า และปุ๋ยที่สามารถแปลงเป็นสูตรทั่วไปอื่นๆ เช่น UAN หรือเม็ดที่ปล่อยช้า . การเชื่อมโยงระหว่างการผลิตแอมโมเนียและเอทานอลจะมีประโยชน์ทั้งทางธุรกิจและด้านลอจิสติกส์ นอกเหนือจากการลดคาร์บอนฟุตพริ้นท์ที่เกี่ยวข้องกับแต่ละผลิตภัณฑ์

โดยสรุป การผลิตแอมโมเนียเพื่อการเกษตรด้วยพลังงานไฟฟ้า ดูเหมือนจะเป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของการแก้ปัญหาที่จินตนาการโดย “นักเศรษฐศาสตร์” ซึ่งให้เหตุผลว่าเทคโนโลยีมักเป็นวิธีแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ท้าทาย ในกรณีนี้ซึ่งสอดคล้องกับความจำเป็นในการปกป้องเศรษฐกิจฟาร์มของเราจากความไม่แน่นอนของโลก