Esiste un modo più rispettoso del clima per fertilizzare le colture? La risposta potrebbe soffiare nel vento

Le piante sono naturalmente "a energia solare", ma c'è un'impronta di carbonio associata alla loro coltivazione come coltura. Il carburante utilizzato per alimentare trattori e altre attrezzature fa parte di quell'impronta, ma il componente più grande nell'ordine del 36% è associato al gas naturale utilizzato per produrre fertilizzanti azotati sintetici.

Tra le interruzioni causate dal conflitto nel mercato globale del gas naturale e l'urgente necessità di affrontare il cambiamento climatico, la dipendenza dei fertilizzanti azotati dai combustibili fossili sta diventando insostenibile. La soluzione ideale sarebbe trovare un modo per produrre azoto a basse emissioni di carbonio utilizzando energia rinnovabile locale. È possibile? In questo caso la risposta potrebbe essere letteralmente "soffiare nel vento".

Le piante verdi ottengono l'energia per crescere dal sole attraverso il processo di fotosintesi. Loro fanno; tuttavia, hanno bisogno di sostanze nutritive, minerali che assorbono dal terreno attraverso le radici. Azoto, Fosforo e Potassio sono i maggiori bisogni della pianta e in agricoltura o giardinaggio vengono forniti come fertilizzanti. Nel corso della storia umana, l'azoto è stato l'elemento più limitante per la produzione agricola e, con l'aumento della popolazione, le fonti di azoto disponibili come il letame di animali domestici o il guano di uccelli non sono state in grado di fornire tutto ciò che era necessario. La sfida di ottenere abbastanza azoto per le piante è alquanto ironica perché l'atmosfera contiene il 78% di azoto gassoso; tuttavia, è abbastanza inerte e non disponibile per la maggior parte degli esseri viventi. Poco più di 100 anni fa la situazione dei fertilizzanti è cambiata. Uno scienziato tedesco di nome Fritz Haber ha ideato un catalizzatore e un sistema di pressione per utilizzare l'idrogeno e parte dell'azoto nell'aria e trasformarlo in ammoniaca, una forma disponibile per le piante. Un altro ingegnere di nome Carl Bosch perfezionò e ampliò il processo in modo che nel 1914 fosse possibile produrre 20 tonnellate al giorno di azoto utilizzabile.

Questo processo "Haber-Bosch" viene eseguito in modo ottimale in impianti su larga scala, ciascuno con una produzione dell'ordine di 1 milione di tonnellate all'anno da fonti di gas naturale o attraverso la gassificazione del carbone. Il gas naturale è composto da un carbonio e quattro atomi di idrogeno, ma è solo l'idrogeno necessario per reagire con l'azoto nell'aria per produrre ammoniaca (un atomo di N con tre atomi di idrogeno). Il carbonio in quel caso proviene da una fonte "fossile", quindi costituisce una "emissione di gas serra". C'è un modo diverso per generare idrogeno chiamato elettrolisi. Tutto ciò che serve è un po' d'acqua (due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno) ed elettricità. Questo processo scinde l'idrogeno e rilascia l'ossigeno innocuo. In questo scenario non ci sono emissioni di carbonio. Ricercatori pubblici e privati ​​hanno sperimentato processi Haber-Bosch su piccola scala per produrre ammoniaca. L'attenzione si è concentrata sull'utilizzo dell'elettricità generata dal vento o dal sole. Questo concetto è in lavorazione da tempo. Ad esempio, nel 2009 un impianto pilota da 3.75 milioni di dollari per il West Central Research and Outreach Center dell'Università del Minnesota utilizzava l'elettricità da un impianto eolico locale per produrre 25 tonnellate di ammoniaca anidra all'anno. Questo è stato descritto in un'intervista con Mike Reese, il direttore dell'energia rinnovabile in quella struttura del Minnesota, pubblicata sulla rivista di settore agricolo Corn+Soybean Digest. L'articolo era giustamente intitolato: "Produci fertilizzanti dal nulla? L'uso dell'energia eolica bloccata per produrre ammoniaca rinnovabile potrebbe stabilizzare i prezzi N, costruire mercati dell'energia eolica".

Allora cosa sta succedendo 13 anni dopo? Come con qualsiasi nuovo processo chimico, l'ottimizzazione richiede tempo. Esistono anche economie di scala che rendono difficile competere con un processo consolidato su scala industriale come quello utilizzato per la moderna produzione di fertilizzanti. Tuttavia è possibile che le versioni di questa tecnologia si stiano avvicinando a una fattibilità commerciale. UN "Analisi Tecno-Economica"pubblicato nel 2020 dai ricercatori della Texas Tech ha concluso che l'ammoniaca "tutta elettrica" ​​potrebbe essere prodotta a circa il doppio del costo dell'ammoniaca convenzionale. Questo era prima dei drammatici aumenti visti con i prezzi dei fertilizzanti per la stagione di crescita del 2022 (vedi L'agricoltore moderno: "Gli agricoltori lottano per tenere il passo con l'aumento dei prezzi dei fertilizzanti).

In un'intervista per questo articolo Mike Reese della struttura dell'Università del Minnesota afferma che lo slancio sta crescendo per questa soluzione. Con l'aumento del costo del gas naturale, il calo dei costi dell'elettricità rinnovabile e l'impegno per la mitigazione del cambiamento climatico in primo piano; ora c'è un ampio interesse per questo tipo di opzione "ammoniaca verde". Reese afferma che molte delle aziende di fertilizzanti convenzionali su larga scala stanno esaminando come potrebbero spostarsi in questa direzione. La descrizione di Reese di questa tecnologia è pubblicata sul sito web del centro: “Alimentare l'energia sostenibile e l'agricoltura: mettere il vento in una bottiglia.” I ricercatori dell'UMN hanno anche pubblicato una relazione analisi economica.

Uno scenario logico è quello di sviluppare impianti di media scala nella gamma da 30 a 200 ton/anno e posizionarli in regioni agricole dove c'è un grande potenziale per la generazione di elettricità eolica e solare. In questo modo l'impronta di trasporto del fertilizzante sarebbe ridotta e il mercato sarebbe isolato dalle oscillazioni dei prezzi globali. Ovviamente ci sarebbe la necessità di ingenti investimenti di capitale, ma ciò potrebbe essere parzialmente affrontato attraverso sussidi legati ai cambiamenti climatici o crediti di carbonio. Questo cambiamento sarebbe positivo anche per il settore dell'energia solare ed eolica perché risponde alla loro necessità di utilizzo durante i periodi di picco di produzione che potrebbero non essere in linea con la domanda di rete. Esiste una linea di interesse indipendente sull'ammoniaca come mezzo più sicuro per immagazzinare l'idrogeno per un rilascio successivo molte applicazioni differenti.

Come se questa storia non fosse già abbastanza positiva, c'è un modo in cui la produzione di fertilizzanti potrebbe essere ulteriormente "decarbonizzata". Ci sono piante di bioetanolo sparse in molte regioni agricole degli Stati Uniti. Quando stanno fermentando i carboidrati di mangimi come l'amido di mais, emettono CO2, ma è "carbon neutral" in quanto proviene dalla recente fotosintesi delle colture. Tuttavia, è possibile catturare quell'abbondante scorta di gas e farla reagire con l'ammoniaca per produrre urea che è una forma di fertilizzante azotato più facilmente immagazzinabile e applicata e che può essere convertita in altre formulazioni comuni come UAN o pellet a lento rilascio . Creare questo collegamento tra la produzione di ammoniaca ed etanolo avrebbe vantaggi sia commerciali che logistici oltre alla riduzione dell'impronta di carbonio associata a ciascun prodotto.

In conclusione, l'elettrificazione della produzione di ammoniaca per l'agricoltura sembra essere un ottimo esempio del tipo di soluzione immaginata da “ecomodernisti” che sostengono che la tecnologia è spesso la soluzione alle sfide ambientali. In questo caso ciò è anche in linea con la necessità di proteggere la nostra economia agricola dall'instabilità globale.