Apakah Ada Cara yang Lebih Ramah Iklim untuk Memupuk Tanaman? Jawabannya Mungkin Tertiup Angin

Tanaman secara alami "bertenaga surya", tetapi ada jejak karbon yang terkait dengan menanamnya sebagai tanaman. Bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan traktor dan peralatan lainnya adalah bagian dari jejak itu, tetapi komponen terbesar pada urutan 36% dikaitkan dengan gas alam yang digunakan untuk membuat pupuk nitrogen sintetis.

Antara gangguan yang didorong oleh konflik di pasar gas alam global dan kebutuhan mendesak untuk mengatasi perubahan iklim, ketergantungan pupuk nitrogen pada bahan bakar fosil menjadi tidak dapat dipertahankan. Solusi ideal adalah menemukan cara untuk membuat pasokan nitrogen dengan jejak karbon rendah menggunakan energi lokal terbarukan. Apakah itu mungkin? Dalam hal ini, jawabannya mungkin secara harfiah adalah "tertiup angin".

Tumbuhan hijau mendapatkan energi untuk tumbuh dari matahari melalui proses fotosintesis. Mereka melakukannya; namun, membutuhkan nutrisi – mineral yang mereka serap dari tanah melalui akarnya. Nitrogen, Fosfor dan Kalium adalah kebutuhan terbesar tanaman dan dalam pertanian atau berkebun mereka dipasok sebagai pupuk. Sepanjang sejarah manusia, nitrogen adalah elemen yang paling membatasi untuk produksi tanaman, dan dengan meningkatnya populasi, sumber nitrogen yang tersedia seperti kotoran hewan domestik atau guano burung tidak dapat menyediakan semua yang dibutuhkan. Tantangan mendapatkan cukup nitrogen untuk tanaman agak ironis karena atmosfer mengandung 78% gas nitrogen; Namun, itu cukup lembam dan tidak tersedia untuk sebagian besar makhluk hidup. Lebih dari 100 tahun yang lalu situasi pupuk berubah. Seorang ilmuwan Jerman bernama Fritz Haber datang dengan katalis dan sistem tekanan untuk menggunakan hidrogen dan beberapa nitrogen di udara dan mengubahnya menjadi amonia yang merupakan bentuk yang tersedia untuk tanaman. Insinyur lain bernama Carl Bosch menyempurnakan dan meningkatkan prosesnya sehingga pada tahun 1914 dapat menghasilkan 20 ton/hari nitrogen yang dapat digunakan.

Proses “Haber-Bosch” ini secara optimal dilakukan di fasilitas skala besar yang masing-masing berproduksi di urutan 1 juta ton per tahun baik dari sumber gas alam maupun melalui gasifikasi batubara. Gas alam terdiri dari satu karbon dan empat atom hidrogen, tetapi hanya hidrogen yang diperlukan untuk bereaksi dengan nitrogen di udara untuk membuat amonia (satu atom N dengan tiga atom hidrogen). Karbon dalam hal ini berasal dari sumber “fosil” sehingga merupakan “emisi gas rumah kaca”. Ada cara berbeda untuk menghasilkan hidrogen yang disebut elektrolisis. Yang dibutuhkan hanyalah air (dua atom hidrogen dan satu atom oksigen) dan listrik. Proses ini memisahkan hidrogen dan melepaskan oksigen yang tidak berbahaya. Dalam skenario ini tidak ada emisi karbon. Peneliti publik dan swasta telah bereksperimen dengan proses Haber-Bosch skala kecil untuk membuat amonia. Fokusnya adalah pada penggunaan listrik yang dihasilkan oleh angin atau matahari. Konsep ini telah bekerja untuk beberapa waktu. Misalnya pada tahun 2009 sebuah pabrik percontohan senilai $3.75 juta untuk Pusat Penelitian dan Penjangkauan Pusat Barat Universitas Minnesota menggunakan listrik dari fasilitas tenaga angin lokal untuk menghasilkan 25 ton amonia anhidrat per tahun. Hal ini dijelaskan dalam sebuah wawancara dengan Mike Reese, Direktur Energi Terbarukan di fasilitas Minnesota yang diterbitkan dalam jurnal perdagangan pertanian Corn+Soybean Digest. Artikel itu dengan tepat berjudul: “Buat Pupuk Dari Udara Tipis? Menggunakan Tenaga Angin Terdampar untuk Membuat Amonia Terbarukan Dapat Menstabilkan Harga N, Membangun Pasar Tenaga Angin.”

Jadi apa yang terjadi 13 tahun kemudian? Seperti halnya proses kimia baru, dibutuhkan waktu untuk optimasi. Ada juga skala ekonomi yang menyulitkan untuk bersaing dengan proses skala industri yang mapan seperti yang digunakan untuk produksi pupuk modern. Namun ada kemungkinan bahwa versi teknologi ini mendekati kelayakan komersial. A "Analisis Tekno-Ekonomi” yang diterbitkan pada tahun 2020 oleh para peneliti di Texas Tech menyimpulkan bahwa amonia “semua listrik” dapat diproduksi sekitar dua kali lipat biaya amonia komoditas konvensional. Itu sebelum kenaikan dramatis terlihat dengan harga pupuk untuk musim tanam 2022 (lihat Petani Modern: “Petani Berjuang Mengikuti Kenaikan Harga Pupuk).

Dalam sebuah wawancara untuk artikel ini, Mike Reese dari fasilitas Universitas Minnesota mengatakan bahwa momentum sedang dibangun untuk solusi ini. Dengan kenaikan biaya gas alam, penurunan biaya listrik terbarukan dan komitmen untuk mitigasi perubahan iklim menjadi yang terdepan; sekarang ada minat luas dalam opsi "amonia hijau" semacam ini. Reese mengatakan bahwa beberapa perusahaan pupuk konvensional berskala besar sedang mencari cara bagaimana mereka bisa bergeser ke arah ini. Deskripsi Reese tentang teknologi ini diposting di situs web pusat: “Mendorong Energi dan Pertanian Berkelanjutan: Menempatkan Angin dalam Botol.” Peneliti UMN juga telah menerbitkan analisis ekonomi.

Skenario logisnya adalah mengembangkan pembangkit skala menengah dengan kisaran 30 hingga 200 ton/tahun dan menempatkannya di seluruh wilayah pertanian di mana terdapat banyak potensi pembangkit listrik tenaga angin dan surya. Dengan begitu jejak transportasi pupuk akan kecil dan pasar akan terisolasi dari perubahan harga global. Jelas akan ada kebutuhan untuk investasi modal yang besar, tetapi itu mungkin sebagian diatasi melalui subsidi yang didorong oleh perubahan iklim atau melalui kredit karbon. Perubahan ini juga akan positif untuk sektor energi matahari dan angin karena menjawab kebutuhan mereka untuk pemanfaatan selama periode produksi puncak yang mungkin tidak sejalan dengan permintaan jaringan. Ada lini minat independen dalam amonia sebagai cara yang lebih aman untuk menyimpan hidrogen untuk rilis nanti untuk banyak aplikasi yang berbeda.

Seolah cerita ini belum cukup positif, ada cara agar produksi pupuk bisa lebih “didekarbonisasi”. Ada pabrik bioetanol yang tersebar di banyak wilayah pertanian AS. Ketika mereka memfermentasi karbohidrat dari stok pakan seperti pati jagung, mereka mengeluarkan CO2, tetapi "karbon netral" karena berasal dari fotosintesis tanaman baru-baru ini. Namun, adalah mungkin untuk menangkap pasokan gas yang melimpah dan mereaksikannya dengan amonia untuk menghasilkan urea yang merupakan bentuk pupuk nitrogen yang lebih mudah disimpan dan digunakan dan yang dapat dikonversi ke formulasi umum lainnya seperti UAN atau pelet lepas lambat. . Membuat hubungan antara produksi amonia dan etanol ini akan memiliki keuntungan bisnis dan logistik selain pengurangan jejak karbon yang terkait dengan setiap produk.

Kesimpulannya, elektrifikasi produksi amonia untuk pertanian tampaknya menjadi contoh yang sangat baik dari jenis solusi yang dibayangkan oleh “ekomodernis” yang berpendapat bahwa teknologi seringkali menjadi solusi atas tantangan lingkungan. Dalam hal ini juga sejalan dengan kebutuhan untuk melindungi ekonomi pertanian kita dari ketidakstabilan global.