Existe-t-il un moyen plus respectueux du climat de fertiliser les cultures ? La réponse peut être soufflée dans le vent

Les plantes sont naturellement « alimentées par l'énergie solaire », mais il y a une empreinte carbone associée à leur culture en tant que culture. Le carburant utilisé pour alimenter les tracteurs et autres équipements fait partie de cette empreinte, mais le composant le plus important de l'ordre de 36% est associé au gaz naturel utilisé pour fabriquer des engrais azotés de synthèse.

Entre les perturbations dues aux conflits sur le marché mondial du gaz naturel et le besoin urgent de faire face au changement climatique, la dépendance des engrais azotés aux combustibles fossiles devient intenable. La solution idéale serait de trouver un moyen de produire un approvisionnement en azote à faible empreinte carbone en utilisant une énergie locale et renouvelable. Est-ce possible? Dans ce cas, la réponse peut être littéralement "souffler dans le vent".

Les plantes vertes tirent l'énergie du soleil de leur croissance grâce au processus de photosynthèse. Ils font; cependant, ils ont besoin de nutriments – des minéraux qu'ils absorbent du sol par leurs racines. L'azote, le phosphore et le potassium sont les besoins les plus importants de la plante et dans l'agriculture ou le jardinage, ils sont fournis sous forme d'engrais. Tout au long de l'histoire humaine, l'azote a été l'élément le plus limitant pour la production agricole et, à mesure que la population augmentait, les sources d'azote disponibles telles que le fumier d'animaux domestiques ou le guano d'oiseau ne pouvaient pas fournir tout ce qui était nécessaire. Le défi d'obtenir suffisamment d'azote pour les plantes est quelque peu ironique car l'atmosphère contient 78 % d'azote gazeux ; cependant, il est assez inerte et indisponible pour la plupart des êtres vivants. Il y a un peu plus de 100 ans la situation des engrais a changé. Un scientifique allemand du nom de Fritz Haber a proposé un catalyseur et un système de pression pour utiliser l'hydrogène et une partie de l'azote dans l'air et le transformer en ammoniac, une forme disponible pour les plantes. Un autre ingénieur du nom de Carl Bosch a perfectionné et intensifié le procédé de sorte qu'en 1914, il était possible de produire 20 tonnes/jour d'azote utilisable.

Ce procédé « Haber-Bosch » est réalisé de manière optimale dans des installations à grande échelle produisant chacune de l'ordre de 1 million de tonnes par an, soit à partir de sources de gaz naturel, soit par gazéification du charbon. Le gaz naturel est composé d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène, mais seul l'hydrogène est nécessaire pour réagir avec l'azote de l'air pour produire de l'ammoniac (un atome de N avec trois atomes d'hydrogène). Dans ce cas, le carbone provient d'une source "fossile", il constitue donc une "émission de gaz à effet de serre". Il existe une autre façon de générer de l'hydrogène appelée électrolyse. Il suffit d'un peu d'eau (deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène) et d'électricité. Ce processus sépare l'hydrogène et libère l'oxygène inoffensif. Dans ce scénario, il n'y a pas d'émission de carbone. Des chercheurs publics et privés ont expérimenté des procédés Haber-Bosch à petite échelle pour fabriquer de l'ammoniac. L'accent a été mis sur l'utilisation de l'électricité éolienne ou solaire. Ce concept est en préparation depuis un certain temps. Par exemple, en 2009, une usine pilote de 3.75 millions de dollars du West Central Research and Outreach Center de l'Université du Minnesota utilisait l'électricité d'une centrale éolienne locale pour produire 25 tonnes d'ammoniac anhydre par an. Cela a été décrit dans une interview avec Mike Reese, le directeur des énergies renouvelables de cette installation du Minnesota, publiée dans la revue commerciale agricole Corn+Soybean Digest. L'article était justement intitulé : "Fabriquer de l'engrais à partir de rien ? L'utilisation de l'énergie éolienne échouée pour fabriquer de l'ammoniac renouvelable pourrait stabiliser les prix du N et créer des marchés de l'énergie éolienne.

Que se passe-t-il 13 ans plus tard ? Comme pour tout nouveau procédé chimique, l'optimisation prend du temps. Il existe également des économies d'échelle qui rendent difficile la concurrence avec un processus à l'échelle industrielle bien établi comme celui utilisé pour la production d'engrais moderne. Cependant, il est possible que des versions de cette technologie approchent d'une faisabilité commerciale. UN "Analyse technico-économique" publié en 2020 par des chercheurs de Texas Tech a conclu que l'ammoniac "tout électrique" pourrait être produit à environ deux fois le coût de l'ammoniac de base conventionnel. C'était avant les augmentations spectaculaires observées avec les prix des engrais pour la saison de croissance 2022 (voir Fermier moderne : « Les agriculteurs ont du mal à suivre la hausse des prix des engrais).

Dans une interview pour cet article, Mike Reese, de l'établissement de l'Université du Minnesota, déclare que cette solution prend de l'ampleur. Avec l'augmentation du coût du gaz naturel, la baisse des coûts de l'électricité renouvelable et les engagements en faveur de l'atténuation du changement climatique au premier plan ; il y a maintenant un large intérêt pour ce type d'option « ammoniac vert ». Reese dit que plusieurs des grandes entreprises d'engrais conventionnels étudient comment elles pourraient évoluer dans cette direction. La description de Reese de cette technologie est publiée sur le site Web du centre : «Alimenter l'énergie durable et l'agriculture : mettre du vent dans une bouteille.” Des chercheurs de l'UMN ont également publié un article connexe analyse économique.

Un scénario logique consiste à développer des centrales de taille moyenne de l'ordre de 30 à 200 tonnes/an et à les implanter dans des régions agricoles où le potentiel de production d'électricité éolienne et solaire est important. De cette façon, l'empreinte de transport de l'engrais serait réduite et le marché serait protégé des fluctuations des prix mondiaux. De toute évidence, des investissements substantiels en capital seraient nécessaires, mais cela pourrait être partiellement résolu par des subventions axées sur le changement climatique ou par des crédits carbone. Ce changement serait également positif pour le secteur de l'énergie solaire et éolienne, car il répond à leur besoin d'utilisation pendant les périodes de pointe de production qui pourraient ne pas correspondre à la demande du réseau. Il existe une ligne d'intérêt indépendante pour l'ammoniac en tant que moyen plus sûr de stockage de l'hydrogène pour une libération ultérieure pour de nombreuses applications différentes.

Comme si cette histoire n'était pas déjà assez positive, il existe un moyen de « décarboner » encore plus la production d'engrais. Il existe des usines de bioéthanol réparties dans de nombreuses régions agricoles américaines. Lorsqu'ils fermentent les glucides provenant de matières premières comme l'amidon de maïs, ils émettent du CO2, mais il est "neutre en carbone" car il provient de la photosynthèse récente des cultures. Cependant, il est possible de capturer cet approvisionnement abondant en gaz et de le faire réagir avec de l'ammoniac pour produire de l'urée qui est une forme d'engrais azoté plus facilement stockée et appliquée et qui peut être convertie en d'autres formulations courantes telles que l'UAN ou les granulés à libération lente. . Faire ce lien entre la production d'ammoniac et d'éthanol présenterait des avantages commerciaux et logistiques en plus des réductions d'empreinte carbone associées à chaque produit.

En conclusion, l'électrification de la production d'ammoniac pour l'agriculture apparaît comme un excellent exemple du type de solution envisagée par "écomodernistes» qui soutiennent que la technologie est souvent la solution aux défis environnementaux. Dans ce cas, cela correspond également à la nécessité de protéger notre économie agricole de l'instabilité mondiale.