¿Existe una forma más respetuosa con el clima de fertilizar los cultivos? La respuesta puede estar soplando en el viento

Las plantas funcionan naturalmente con "energía solar", pero hay una huella de carbono asociada con su cultivo. El combustible utilizado para impulsar tractores y otros equipos es parte de esa huella, pero el componente más grande del orden del 36% está asociado con el gas natural utilizado para fabricar fertilizantes nitrogenados sintéticos.

Entre las interrupciones provocadas por los conflictos en el mercado mundial del gas natural y la urgente necesidad de abordar el cambio climático, la dependencia de los combustibles fósiles por parte de los fertilizantes nitrogenados se está volviendo insostenible. La solución ideal sería encontrar una manera de hacer un suministro de nitrógeno con baja huella de carbono utilizando energía renovable local. ¿Es eso posible? En este caso, la respuesta puede ser literalmente "soplando en el viento".

Las plantas verdes obtienen la energía para crecer del sol a través del proceso de fotosíntesis. Ellas hacen; sin embargo, necesitan nutrientes, minerales que absorben del suelo a través de sus raíces. Nitrógeno, Fósforo y Potasio son los mayores requerimientos de la planta y en agricultura o jardinería se aportan como fertilizantes. A lo largo de la historia humana, el nitrógeno fue el elemento más limitante para la producción de cultivos y, a medida que aumentaba la población, las fuentes de nitrógeno disponibles, como el estiércol de animales domésticos o el guano de aves, no podían suministrar todo lo que se necesitaba. El desafío de obtener suficiente nitrógeno para las plantas es algo irónico porque la atmósfera contiene un 78 % de nitrógeno gaseoso; sin embargo, es bastante inerte y no está disponible para la mayoría de los seres vivos. Hace poco más de 100 años la situación de los fertilizantes cambió. Un científico alemán llamado Fritz Haber ideó un catalizador y un sistema de presión para usar hidrógeno y parte del nitrógeno del aire y convertirlo en amoníaco, que es una forma disponible para las plantas. Otro ingeniero llamado Carl Bosch perfeccionó y amplió el proceso para que en 1914 fuera posible producir 20 toneladas/día de nitrógeno utilizable.

Este proceso "Haber-Bosch" se realiza de manera óptima en instalaciones a gran escala, cada una de las cuales produce del orden de 1 millón de toneladas por año, ya sea a partir de fuentes de gas natural o mediante gasificación de carbón. El gas natural está compuesto de un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno, pero es solo el hidrógeno que se necesita para reaccionar con el nitrógeno en el aire para producir amoníaco (un átomo de N con tres átomos de hidrógeno). El carbono en ese caso proviene de una fuente "fósil", por lo que constituye una "emisión de gases de efecto invernadero". Hay una forma diferente de generar hidrógeno llamada electrólisis. Todo lo que se necesita es algo de agua (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno) y electricidad. Este proceso separa el hidrógeno y libera el oxígeno inofensivo. En este escenario no hay emisión de carbono. Investigadores públicos y privados han estado experimentando con procesos de Haber-Bosch a pequeña escala para producir amoníaco. La atención se ha centrado en el uso de electricidad eólica o solar. Este concepto ha estado en proceso durante algún tiempo. Por ejemplo, en 2009, una planta piloto de $ 3.75 millones en el Centro de Investigación y Extensión West Central de la Universidad de Minnesota estaba usando electricidad de una instalación de energía eólica local para producir 25 toneladas de amoníaco anhidro por año. Esto se describió en una entrevista con Mike Reese, el Director de Energía Renovable en esa instalación de Minnesota, publicada en la revista de comercio agrícola Corn+Soybean Digest. El artículo se tituló acertadamente: “¿Hacer fertilizante de la nada? El uso de energía eólica varada para producir amoníaco renovable podría estabilizar los precios del N y crear mercados de energía eólica”.

Entonces, ¿qué está pasando 13 años después? Como ocurre con cualquier proceso químico nuevo, la optimización lleva tiempo. También existen economías de escala que dificultan la competencia con un proceso bien establecido a escala industrial como el que se usa para la producción moderna de fertilizantes. Sin embargo, es posible que las versiones de esta tecnología se estén acercando a la viabilidad comercial. UN "Análisis Tecno-Económico” publicado en 2020 por investigadores de Texas Tech concluyó que el amoníaco “totalmente eléctrico” podría producirse a aproximadamente el doble del costo del amoníaco convencional. Eso fue antes de los dramáticos aumentos observados en los precios de los fertilizantes para la temporada de cultivo de 2022 (ver Agricultor moderno: “Los agricultores luchan por mantenerse al día con el aumento de los precios de los fertilizantes).

En una entrevista para este artículo, Mike Reese, de las instalaciones de la Universidad de Minnesota, dice que se está generando impulso para esta solución. Con el aumento del costo del gas natural, la caída de los costos de la electricidad renovable y los compromisos con la mitigación del cambio climático en primer plano; ahora existe un amplio interés en este tipo de opción de "amoníaco verde". Reese dice que varias de las empresas de fertilizantes convencionales a gran escala están investigando cómo podrían cambiar en esta dirección. La descripción de Reese de esta tecnología está publicada en el sitio web del centro: “Impulsar la energía y la agricultura sostenibles: poner viento en una botella.” Investigadores de la UMN también han publicado un artículo relacionado análisis económico.

Un escenario lógico es desarrollar plantas de mediana escala en el rango de 30 a 200 ton/año y ubicarlas en regiones agrícolas donde hay mucho potencial para la generación de electricidad eólica y solar. De esa manera, la huella del transporte del fertilizante sería pequeña y el mercado estaría aislado de las fluctuaciones de los precios mundiales. Obviamente, existiría la necesidad de una inversión de capital sustancial, pero eso podría abordarse parcialmente a través de subsidios impulsados ​​por el cambio climático o mediante créditos de carbono. Este cambio también sería positivo para el sector de la energía solar y eólica porque aborda su necesidad de utilización durante los períodos de máxima producción que podrían no coincidir con la demanda de la red. Hay una línea de interés independiente en el amoníaco como un medio más seguro de almacenar hidrógeno para su posterior liberación para muchas aplicaciones diferentes.

Como si esta historia no fuera ya lo suficientemente positiva, hay una forma en que la producción de fertilizantes podría "descarbonizarse" aún más. Hay plantas de bioetanol repartidas por muchas regiones agrícolas de los Estados Unidos. Cuando están fermentando los carbohidratos de materias primas como el almidón de maíz, emiten CO2, pero es "carbono neutral" ya que proviene de la fotosíntesis de cultivos recientes. Sin embargo, es posible capturar ese abundante suministro de gas y hacerlo reaccionar con amoníaco para producir urea, que es una forma de fertilizante nitrogenado que se almacena y aplica más fácilmente y que se puede convertir en otras formulaciones comunes como UAN o gránulos de liberación lenta. . Establecer este vínculo entre la producción de amoníaco y etanol tendría ventajas comerciales y logísticas además de las reducciones de la huella de carbono asociadas con cada producto.

En conclusión, la electrificación de la producción de amoníaco para la agricultura parece ser un excelente ejemplo del tipo de solución prevista por “ecomodernistas” quienes argumentan que la tecnología es a menudo la solución a los desafíos ambientales. En este caso, eso también se alinea con la necesidad de proteger nuestra economía agrícola de la inestabilidad global.