작물을 비옥하게 하는 더 기후 친화적인 방법이 있습니까? 답은 바람에 날리다

식물은 자연적으로 "태양열 동력"이지만 작물로 재배하는 것과 관련된 탄소 발자국이 있습니다. 트랙터 및 기타 장비에 동력을 공급하는 데 사용되는 연료는 발자국의 일부이지만 가장 큰 구성 요소는 36%의 순서로 합성 질소 비료를 만드는 데 사용되는 천연 가스와 관련이 있습니다.

분쟁으로 인한 세계 천연 가스 시장의 혼란과 기후 변화에 대한 긴급한 필요성 사이에서 화석 연료에 대한 질소 비료의 의존도는 점점 더 어려워지고 있습니다. 이상적인 솔루션은 지역의 재생 가능한 에너지를 사용하여 탄소 발자국이 적은 질소를 공급하는 방법을 찾는 것입니다. 그게 가능합니까? 이 경우 대답은 문자 그대로 "바람에 날리다"일 수 있습니다.

녹색 식물은 광합성 과정을 통해 태양으로부터 자랄 에너지를 얻습니다. 그들이하다; 그러나 영양분이 필요합니다. 미네랄은 뿌리를 통해 토양을 흡수합니다. 질소, 인, 칼륨은 식물의 가장 큰 필요이며 농업이나 원예에서는 비료로 공급됩니다. 인류의 역사를 통틀어 질소는 작물 생산에 있어 가장 제한적인 요소였으며 인구가 증가함에 따라 가축의 분뇨나 새 구아노와 같은 이용 가능한 질소 공급원은 필요한 모든 것을 공급할 수 없었습니다. 식물에 충분한 질소를 공급하는 문제는 대기에 78%의 질소 가스가 포함되어 있기 때문에 다소 아이러니합니다. 그러나 그것은 매우 불활성이며 대부분의 생물에 사용할 수 없습니다. 100 년 전 비료 상황이 변경되었습니다. Fritz Haber라는 독일 과학자는 수소와 공기 중의 질소 일부를 사용하여 식물이 이용할 수 있는 형태인 암모니아로 바꾸는 촉매 및 압력 시스템을 고안했습니다. Carl Bosch라는 또 다른 엔지니어는 1914년까지 하루에 20톤의 사용 가능한 질소를 생산할 수 있도록 공정을 완성하고 확장했습니다.

이 "Haber-Bosch" 공정은 천연 가스 공급원 또는 석탄 가스화를 통해 연간 1만 톤 정도를 생산하는 대규모 시설에서 최적으로 수행됩니다. 천연 가스는 탄소 2009개와 수소 원자 3.75개로 구성되어 있지만 공기 중의 질소와 반응하여 암모니아(N 원자 25개와 수소 원자 XNUMX개)를 만드는 데 필요한 것은 수소뿐입니다. 이 경우 탄소는 "화석" 출처에서 나오므로 "온실 가스 배출"을 구성합니다. 전기분해라고 하는 수소를 생성하는 다른 방법이 있습니다. 필요한 것은 약간의 물(수소 원자 XNUMX개와 산소 원자 XNUMX개)과 전기뿐입니다. 이 과정은 수소를 분리하고 무해한 산소를 방출합니다. 이 시나리오에서는 탄소 배출이 없습니다. 공공 및 민간 연구원은 암모니아를 만들기 위해 소규모 Haber-Bosch 공정을 실험해 왔습니다. 초점은 풍력 또는 태양열 발전 전기를 사용하는 것이었습니다. 이 개념은 한동안 작업 중이었습니다. 예를 들어 XNUMX년 미네소타 대학의 West Central Research and Outreach Center의 XNUMX만 달러 파일럿 플랜트는 지역 풍력 발전 시설의 전기를 사용하여 연간 XNUMX톤의 무수 암모니아를 생산하고 있었습니다. 이것은 농업 무역 저널인 Corn+Soybean Digest에 게재된 미네소타 시설의 재생 에너지 이사인 Mike Reese와의 인터뷰에서 설명되었습니다. 기사의 제목은 다음과 같았습니다. “희박한 공기에서 비료를 만드시겠습니까? 재생 가능한 암모니아를 만들기 위해 좌초 풍력을 사용하면 N 가격을 안정화하고 풍력 시장을 구축할 수 있습니다.”

그렇다면 13년 후에는 어떻게 될까요? 새로운 화학 공정과 마찬가지로 최적화에는 시간이 걸립니다. 또한 현대 비료 생산에 사용되는 것과 같이 잘 확립된 산업 규모의 공정과 경쟁하기 어렵게 만드는 규모의 경제가 있습니다. 그러나 이 기술의 버전이 상업적 타당성에 접근하고 있을 가능성이 있습니다. ㅏ "기술경제적 분석2020년에 Texas Tech의 연구원들이 발표한 보고서에 따르면 "전동" 암모니아는 기존 상품 암모니아의 약 두 배 비용으로 생산할 수 있다고 결론지었습니다. 이는 2022년 재배 시즌에 비료 가격이 급격히 상승하기 전이었습니다(참조 현대 농부: “농부들은 비료 가격 상승을 따라잡기 위해 고군분투합니다.).

이 기사에 대한 인터뷰에서 미네소타 대학 시설의 Mike Reese는 이 솔루션에 대한 추진력이 구축되고 있다고 말했습니다. 천연 가스 비용이 상승하고 재생 가능한 전기 비용이 감소하고 기후 변화 완화에 대한 약속이 전면에 등장합니다. 이제 이러한 종류의 "녹색 암모니아" 옵션에 대한 광범위한 관심이 있습니다. Reese는 기존의 대규모 비료 회사 중 일부가 이러한 방향으로 전환할 방법을 찾고 있다고 말합니다. 이 기술에 대한 Reese의 설명은 센터 웹사이트에 게시되어 있습니다.지속 가능한 에너지와 농업에 연료를 공급하기: 병에 바람을 담다.” UMN 연구자들은 또한 관련 논문을 발표했습니다. 경제 분석.

논리적인 시나리오는 30~200톤/년 범위의 중간 규모 플랜트를 개발하고 풍력 및 태양열 발전 잠재력이 풍부한 농업 지역 전체에 배치하는 것입니다. 그렇게 하면 비료의 운송 발자국이 작아지고 시장이 글로벌 가격 변동으로부터 보호될 것입니다. 분명히 상당한 자본 투자가 필요하지만 기후 변화 기반 보조금이나 탄소 배출권을 통해 부분적으로 해결될 수 있습니다. 이러한 변화는 그리드 수요와 일치하지 않을 수 있는 피크 생산 기간 동안의 활용 필요성을 해결하기 때문에 태양광 및 풍력 에너지 부문에도 긍정적일 것입니다. 나중에 방출하기 위해 수소를 저장하는 더 안전한 수단으로서 암모니아에 대한 독립적인 관심이 있습니다. 다양한 애플리케이션.

이 이야기가 이미 충분히 긍정적이지 않은 것처럼 비료 생산이 더 "탈탄소화"될 수 있는 방법이 있습니다. 미국의 많은 농업 지역에 바이오에탄올 식물이 퍼져 있습니다. 옥수수 전분과 같은 공급원료의 탄수화물을 발효할 때 CO2를 방출하지만 최근 작물 광합성에서 비롯된다는 점에서 "탄소 중립"입니다. 그러나 풍부한 가스 공급을 포착하고 이를 암모니아와 반응시켜 보다 쉽게 ​​저장 및 적용되는 질소 비료 형태인 요소를 생성할 수 있으며 UAN 또는 서방성 펠릿과 같은 다른 일반적인 제형으로 전환될 수 있습니다. . 암모니아와 에탄올 생산 사이에 이러한 연결을 만들면 각 제품과 관련된 탄소 발자국 감소 외에도 비즈니스 및 물류상의 이점이 있습니다.

결론적으로 농업용 암모니아 생산의 전기화는 "에코 모더니스트"라고 주장하는 사람들은 종종 기술이 환경 문제에 대한 해결책이라고 주장합니다. 이 경우 글로벌 불안정으로부터 농장 경제를 보호해야 할 필요성과도 일치합니다.