有没有更气候友好的方式来施肥？ 答案可能在风中飘扬

植物自然是“太阳能驱动的”，但将它们作为作物种植会产生碳足迹。 用于为拖拉机和其他设备提供动力的燃料是该足迹的一部分，但最大的组成部分 大约 36% 与用于制造合成氮肥的天然气有关。

在全球天然气市场因冲突引发的混乱与应对气候变化的迫切需要之间，氮肥对化石燃料的依赖正变得难以为继。 理想的解决方案是找到一种方法，利用当地的可再生能源提供低碳足迹的氮供应。 那可能吗？ 在这种情况下，答案可能是“随风而逝”。

绿色植物通过光合作用从太阳中获取能量来生长。 他们是这样; 然而，它们需要养分——它们通过根部从土壤中吸收的矿物质。 氮、磷和钾是植物最大的需求，在农业或园艺中，它们作为肥料提供。 纵观人类历史，氮是作物生产中最受限制的元素，随着人口的增加，可用的氮源（如家畜粪便或鸟粪）无法满足所有需求。 为植物获取足够的氮的挑战有点讽刺，因为大气中含有 78% 的氮气； 然而，它对大多数生物来说是相当惰性的并且无法使用。 刚刚超过100多年前 化肥形势发生了变化。 一位名叫弗里茨哈伯的德国科学家提出了一种催化剂和压力系统，可以利用空气中的氢气和一些氮气，将其转化为植物可利用的氨。 另一位名叫卡尔博世的工程师完善并扩大了该工艺，以便到 1914 年可以生产 20 吨/天的可用氮气。

这种“哈伯-博世”工艺在大型设施中进行了优化，每个设施每年从天然气源或通过煤气化生产约 1 万吨。 天然气由一个碳和四个氢原子组成，但只有氢与空气中的氮反应生成氨（一个N原子和三个氢原子）。 在这种情况下，碳来自“化石”来源，因此构成“温室气体排放”。 有一种不同的方式来产生氢气，称为电解。 所需要的只是一些水（两个氢原子和一个氧原子）和电。 这个过程会分解氢气并释放无害的氧气。 在这种情况下，没有碳排放。 公共和私人研究人员一直在试验小规模的 Haber-Bosch 工艺来制造氨。 重点一直是使用风能或太阳能发电。 这个概念已经酝酿了一段时间。 例如，2009 年，明尼苏达大学西中央研究和推广中心的一个耗资 3.75 万美元的试点工厂使用当地风力发电设施的电力每年生产 25 吨无水氨。 明尼苏达州工厂的可再生能源总监 Mike Reese 在农业贸易杂志《玉米+大豆文摘》上发表的采访中描述了这一点。 这篇文章的标题恰如其分： “从稀薄的空气中制造肥料？ 利用搁浅的风力发电制造可再生氨可以稳定氮的价格，建立风力发电市场。”

那么13年后会发生什么？ 与任何新的化学工艺一样，优化需要时间。 还存在规模经济，使其难以与成熟的工业规模工艺（如用于现代肥料生产的工艺）竞争。 然而，这种技术的版本可能正在接近商业可行性。 一种 ”技术经济分析”德克萨斯理工大学的研究人员在 2020 年发表的结论是，“全电动”氨的生产成本约为传统商品氨的两倍。 那是在 2022 年生长季节化肥价格大幅上涨之前（见 现代农民：“农民努力跟上不断上涨的肥料价格).

明尼苏达大学设施的 Mike Reese 在接受本文采访时表示，这种解决方案正在形成势头。 随着天然气成本上升、可再生电力成本下降以及减缓气候变化的承诺成为重中之重； 现在人们对这种“绿色氨”选项产生了广泛的兴趣。 Reese 说，一些大型的传统化肥公司正在研究如何朝这个方向转变。 Reese 对这项技术的描述张贴在该中心的网站上：“为可持续能源和农业提供燃料：将风放入瓶中。” UMN 研究人员还发表了相关的 经济分析.

一个合乎逻辑的方案是开发 30 至 200 吨/年范围内的中型工厂，并将它们分布在具有大量风能和太阳能发电潜力的农业地区。 这样一来，化肥的运输足迹就会很小，市场也不会受到全球价格波动的影响。 显然需要大量的资本投资，但这可以通过气候变化驱动的补贴或碳信用额来部分解决。 这一变化也将对太阳能和风能部门产生积极影响，因为它解决了它们在生产高峰期可能无法满足电网需求的利用需求。 有一条独立的兴趣线将氨作为一种更安全的储存氢气的方式，以便以后释放 许多不同的应用.

好像这个故事还不够积极，还有一种方法可以使化肥生产进一步“脱碳”。 生物乙醇工厂遍布美国的许多农业区。 当它们发酵来自玉米淀粉等原料的碳水化合物时，它们会排放二氧化碳，但它是“碳中和”的，因为它来自最近的作物光合作用。 然而，有可能捕获大量的气体供应并将其与氨反应生成尿素，这是一种更容易储存和施用的氮肥形式，并且可以转化为其他常见配方，如 UAN 或缓释颗粒. 除了减少与每种产品相关的碳足迹外，在氨和乙醇生产之间建立这种联系还将具有商业和物流优势。

总之，农业氨生产的电气化似乎是“生态现代主义者” 他们认为技术通常是解决环境挑战的方法。 在这种情况下，这也符合保护我们的农业经济免受全球不稳定影响的需要。