Исследователи из ETH Zurich и Научного института Карнеги показали, как можно производить азотные удобрения более экологично. Это необходимо не только для защиты климата, но и для снижения зависимости от импортного природного газа и повышения продовольственной безопасности.

Интенсивное земледелие возможно только при удобрении почвы азотом, фосфором и калием. В то время как фосфор и калий можно добывать в виде солей, азотные удобрения приходится производить с большим трудом из азота воздуха и водорода. Кроме того, производство водорода является чрезвычайно энергоемким, поскольку в настоящее время требуется большое количество природного газа или, как в Китае, угля. Помимо значительного углеродного следа, производство азотных удобрений уязвимо к скачкам цен на рынках ископаемого топлива.

Паоло Габриэлли, старший научный сотрудник Лаборатории надежности и проектирования рисков в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, сотрудничал с Лоренцо Росой, главным исследователем Института науки Карнеги в Стэнфорде, США, для изучения различных методов производства азотных удобрений с нулевым выбросом углерода.

В исследовании, опубликованном в журнале « Environmental Research Letters» , два исследователя пришли к выводу, что изменение производства азота возможно и что такой переход может также повысить продовольственную безопасность . Однако альтернативные методы производства имеют свои преимущества и недостатки. В частности, два исследователя рассмотрели три альтернативы:

• Производство необходимого водорода с использованием ископаемого топлива в обычном режиме, только вместо того, чтобы выбрасывать парниковый газ CO ₂ в атмосферу, он улавливается на производственных предприятиях и постоянно хранится под землей (улавливание и хранение углерода, CSS). Для этого требуется не только инфраструктура для улавливания, транспортировки и хранения CO ₂ , но и, соответственно, больше энергии. Несмотря на это, это сравнительно эффективный метод производства. Однако это никак не снижает зависимость от ископаемого топлива.
• Электрификация производства удобрений с использованием электролиза воды для производства водорода. Это требует в среднем в 25 раз больше энергии, чем сегодняшний метод производства с использованием природного газа, поэтому потребуется огромное количество электроэнергии из углеродно-нейтральных источников. Для стран с большим количеством солнечной или ветровой энергии это может быть привлекательным подходом. Однако, учитывая планы по электрификации других секторов экономики во имя борьбы с изменением климата, это может привести к конкуренции за устойчивое электричество.
• Синтез водорода для производства удобрений из биомассы. Поскольку для этого требуется много пахотных земель и воды, по иронии судьбы этот метод производства конкурирует с производством продуктов питания. Но авторы исследования отмечают, что это имеет смысл, если исходным сырьем является отходная биомасса, например, пожнивные остатки.

Ученые утверждают, что ключом к успеху, вероятно, станет сочетание всех этих подходов в зависимости от страны, конкретных местных условий и имеющихся ресурсов. В любом случае крайне важно, чтобы сельское хозяйство более эффективно использовало азотные удобрения, как подчеркивает Роза: «Решение таких проблем, как чрезмерное удобрение и пищевые отходы, также является способом снижения потребности в удобрениях».

Индия и Китай в опасности

В исследовании ученые также стремились определить страны мира, в которых в настоящее время продовольственная безопасность находится под особым риском из-за их зависимости от импорта азота или природного газа. Следующие страны особенно уязвимы к ценовым шокам на рынках природного газа и азота: Индия, Бразилия, Китай, Франция, Турция и Германия.

Декарбонизация производства удобрений во многих случаях снизит эту уязвимость и повысит продовольственную безопасность. По крайней мере, электрификация за счет возобновляемых источников энергии или использования биомассы уменьшит зависимость от импорта природного газа. Однако исследователи рассматривают этот момент в перспективе: все углеродно-нейтральные методы производства азотных удобрений более энергоемки, чем нынешний метод использования ископаемого топлива . Другими словами, они по-прежнему уязвимы для определенных ценовых потрясений — не непосредственно на рынках природного газа, а, возможно, на рынках электроэнергии.

Производители азота ждут перемен

Декарбонизация, вероятно, изменит состав стран, производящих азотные удобрения , отмечают ученые в своем исследовании. В настоящее время крупнейшими странами-экспортерами азота являются Россия, Китай, Египет, Катар и Саудовская Аравия. За исключением Китая, который вынужден импортировать природный газ, все эти страны могут использовать собственные запасы природного газа.

В будущем страны, которые, вероятно, выиграют от декарбонизации, — это страны, которые производят много солнечной и ветровой энергии, а также имеют достаточные запасы земли и воды, такие как Канада и Соединенные Штаты.

«Нельзя обойти тот факт, что в будущем нам необходимо сделать сельскохозяйственный спрос на азот более устойчивым, как для достижения климатических целей, так и по соображениям продовольственной безопасности», — говорит Габриэлли. Санкции против России влияют на мировой рынок продовольствия не только потому, что страна обычно экспортирует много зерна, но и потому, что конфликт привел к росту цен на природный газ.

Это, в свою очередь, привело к росту цен на азотные удобрения. Тем не менее, известно, что некоторые производители удобрений прекратили производство, по крайней мере временно, потому что непомерно высокая стоимость газа делает производство для них нерентабельным.