Existe uma maneira mais ecológica de fertilizar as culturas? A resposta pode estar soprando no vento

As plantas são naturalmente “alimentadas por energia solar”, mas há uma pegada de carbono associada ao cultivo delas como cultura. O combustível usado para acionar tratores e outros equipamentos faz parte dessa pegada, mas o maior componente na ordem de 36% está associado ao gás natural usado para fazer fertilizantes sintéticos de nitrogênio.

Entre as interrupções causadas por conflitos no mercado global de gás natural e a necessidade urgente de lidar com as mudanças climáticas, a dependência do fertilizante de nitrogênio em relação ao combustível fóssil está se tornando insustentável. A solução ideal seria encontrar uma maneira de fornecer nitrogênio com baixa pegada de carbono usando energia local e renovável. Isso é possível? Nesse caso, a resposta pode ser literalmente “soprar no vento”.

As plantas verdes obtêm a energia para crescer do sol através do processo de fotossíntese. Eles fazem; no entanto, precisam de nutrientes – minerais que absorvem do solo através de suas raízes. Nitrogênio, Fósforo e Potássio são as maiores necessidades da planta e na agricultura ou jardinagem são fornecidos como fertilizantes. Ao longo da história humana, o nitrogênio foi o elemento mais limitante para a produção agrícola e, à medida que a população aumentava, as fontes de nitrogênio disponíveis, como esterco de animais domésticos ou guano de pássaros, não podiam fornecer tudo o que era necessário. O desafio de obter nitrogênio suficiente para as plantas é um tanto irônico porque a atmosfera contém 78% de gás nitrogênio; no entanto, é bastante inerte e indisponível para a maioria dos seres vivos. Pouco mais de 100 anos atrás a situação dos fertilizantes mudou. Um cientista alemão chamado Fritz Haber criou um sistema de catalisador e pressão para usar hidrogênio e parte do nitrogênio do ar e transformá-lo em amônia, que é uma forma disponível para as plantas. Outro engenheiro chamado Carl Bosch aperfeiçoou e ampliou o processo para que em 1914 fosse possível produzir 20 toneladas/dia de nitrogênio utilizável.

Este processo “Haber-Bosch” é realizado de forma otimizada em instalações de grande escala, cada uma produzindo na ordem de 1 milhão de toneladas por ano a partir de fontes de gás natural ou através de gaseificação de carvão. O gás natural é composto de um carbono e quatro átomos de hidrogênio, mas é apenas o hidrogênio que é necessário para reagir com o nitrogênio do ar para produzir amônia (um átomo de N com três átomos de hidrogênio). O carbono, nesse caso, é de uma fonte “fóssil”, portanto constitui uma “emissão de gases de efeito estufa”. Existe uma maneira diferente de gerar hidrogênio chamada eletrólise. Tudo o que é necessário é um pouco de água (dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio) e eletricidade. Este processo separa o hidrogênio e libera o oxigênio inofensivo. Neste cenário não há emissão de carbono. Pesquisadores públicos e privados vêm experimentando processos Haber-Bosch em pequena escala para produzir amônia. O foco tem sido o uso de eletricidade gerada pelo vento ou pelo sol. Este conceito está em andamento há algum tempo. Por exemplo, em 2009, uma planta piloto de US$ 3.75 milhões no Centro de Pesquisa e Extensão da Universidade de Minnesota estava usando eletricidade de uma usina eólica local para produzir 25 toneladas de amônia anidra por ano. Isso foi descrito em uma entrevista com Mike Reese, o Diretor de Energia Renovável naquela instalação de Minnesota, publicado no jornal de comércio agrícola Corn+Soybean Digest. O artigo foi apropriadamente intitulado: “Fazer fertilizante com ar rarefeito? Usar a energia eólica encalhada para produzir amônia renovável pode estabilizar os preços de N, construir mercados de energia eólica.”

Então, o que está acontecendo 13 anos depois? Como acontece com qualquer novo processo químico, leva tempo para otimização. Há também economias de escala que tornam difícil competir com um processo de escala industrial bem estabelecido, como o usado para a produção moderna de fertilizantes. No entanto, é possível que versões desta tecnologia estejam se aproximando de uma viabilidade comercial. UMA "Análise Tecnoeconômica” publicado em 2020 por pesquisadores da Texas Tech concluiu que a amônia “totalmente elétrica” poderia ser produzida por cerca de duas vezes o custo da amônia convencional. Isso foi antes dos aumentos dramáticos observados nos preços dos fertilizantes para a safra de 2022 (ver Agricultor moderno: “Os agricultores lutam para acompanhar o aumento dos preços dos fertilizantes).

Em uma entrevista para este artigo, Mike Reese, das instalações da Universidade de Minnesota, diz que o impulso está crescendo para esta solução. Com o aumento do custo do gás natural, os custos da eletricidade renovável caindo e os compromissos com a mitigação das mudanças climáticas se destacando; agora há um amplo interesse nesse tipo de opção de “amônia verde”. Reese diz que várias empresas de fertilizantes convencionais de grande escala estão analisando como podem mudar nessa direção. A descrição de Reese dessa tecnologia está publicada no site do centro: “Abastecendo a energia sustentável e a agricultura: colocando o vento em uma garrafa.” Os pesquisadores da UMN também publicaram um artigo relacionado análise econômica.

Um cenário lógico é desenvolver usinas de médio porte na faixa de 30 a 200 ton/ano e localizá-las em regiões agrícolas onde há muito potencial para geração de energia eólica e solar. Dessa forma, a pegada de transporte do fertilizante seria pequena e o mercado ficaria isolado das oscilações de preços globais. Obviamente, haveria a necessidade de investimentos de capital substanciais, mas isso pode ser parcialmente resolvido por meio de subsídios direcionados às mudanças climáticas ou por meio de créditos de carbono. Essa mudança também seria positiva para o setor de energia solar e eólica, pois atende à necessidade de utilização durante os períodos de pico de produção que podem não estar alinhados com a demanda da rede. Existe uma linha independente de interesse em amônia como um meio mais seguro de armazenar hidrogênio para liberação posterior para muitos aplicativos diferentes.

Como se essa história já não fosse positiva o suficiente, há uma maneira de a produção de fertilizantes ser ainda mais “descarbonizada”. Existem usinas de bioetanol espalhadas por muitas regiões agrícolas dos EUA. Quando eles estão fermentando os carboidratos de matérias-primas como o amido de milho, eles emitem CO2, mas é “neutro em carbono”, pois vem da fotossíntese recente das culturas. No entanto, é possível capturar esse suprimento abundante de gás e reagir com amônia para produzir uréia, que é uma forma de fertilizante nitrogenado mais facilmente armazenada e aplicada e que pode ser convertida em outras formulações comuns, como UAN ou pellets de liberação lenta . Fazer essa ligação entre a produção de amônia e etanol teria vantagens comerciais e logísticas, além da redução da pegada de carbono associada a cada produto.

Em conclusão, a eletrificação da produção de amônia para a agricultura parece ser um excelente exemplo do tipo de solução prevista por “ecomodernistas” que argumentam que a tecnologia é muitas vezes a solução para os desafios ambientais. Nesse caso, isso também se alinha com a necessidade de proteger nossa economia agrícola da instabilidade global.