نقش کلیدی کودهای نیتروژنی در تولید جهانی غذا

1402-03-17 اخبار روزانه کشاورزی 0 دیدگاه FAO،امنیت غذایی،سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد،سوخت فسیلی،کودهای نیتروژنی

پایگاه خبری DA1news: کودهای نیتروژن مصنوعی برای تولید غذا برای 3.8 میلیارد نفر در سراسر جهان استفاده می شود. بر اساس گزارش سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (FAO)، در سال 2019، 107 میلیون تن کود نیتروژن مصنوعی در سطح جهان در کشاورزی استفاده شده است.

به گزارش اخبار کشاورزی DA1news، کربن زدایی از تولید کودهای نیتروژن مصنوعی می تواند مزایای دوگانه کاهش انتشار CO2 صنعت و اتکای آن به واردات سوخت فسیلی را داشته باشد. اما آیا اصلا چنین فرآیندی امکان پذیر است و اگر امکان پذیر است به چه قیمتی؟ با توجه به اهمیت کودهای نیتروژنی برای تولید جهانی غذا، نویسندگان ما این سوال را با استفاده از یک تجزیه و تحلیل خاص کشور بررسی کرده اند. یافته های آنها که در یک مطالعه علمی اخیر منتشر شده است، در زیر خلاصه شده است.
برای قرن ها، نیتروژن گلوگاهی بوده است که بهره وری کشاورزی جهانی را محدود می کند. علیرغم فراوانی آن در جو زمین، نیتروژن به طور کلی فوراً برای استفاده انسان در دسترس نیست، زیرا به شکل غیر واکنشی N2 وجود دارد. در سال 1908، فرآیند Haber-Bosch برای تولید صنعتی ترکیب شیمیایی واکنش‌دهنده آمونیاک (NH3) اختراع شد که امکان عرضه فراوان کودهای نیتروژنی را برای افزایش بهره‌وری کشاورزی فراهم کرد. در حالی که کودهای نیتروژن مصنوعی نقش کلیدی در تولید جهانی غذا دارند، نیتروژن فعال بیش از حد اثرات زیست‌محیطی متعددی از جمله آلودگی آب‌های زیرزمینی، اتروفیکاسیون بدنه‌های آبی و از دست دادن تنوع زیستی مرتبط، آلودگی هوا، انتشار گازهای گلخانه‌ای و تخریب لایه ازن استراتوسفر ایجاد کرده است.

تولید و مصرف کود، تجارت و امنیت غذایی
کودهای نیتروژن مصنوعی برای تولید غذا برای 3.8 میلیارد نفر در سراسر جهان استفاده می شود. بر اساس گزارش سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (FAO)، در سال 2019، 107 میلیون تن کود نیتروژن مصنوعی در سطح جهان در کشاورزی استفاده شده است. چین با 27 میلیون تن نیتروژن (Mt N) در سال بزرگترین مصرف کننده کودهای نیتروژن مصنوعی است و پس از آن هند (19 میلیون تن نیتروژن) و ایالات متحده (12 میلیون تن نیتروژن) قرار دارند. اما با در نظر گرفتن کارایی مصرف نیتروژن خاص کشور (یعنی کسری از نیتروژن از دست رفته در مزرعه و برای تولید غذا استفاده نمی شود)، ضایعات نیتروژن و تلفات در محصولات از مزرعه تا چنگال، و دریافت سرانه نیتروژن خاص کشور در رژیم غذایی، دریافتیم. هند با 646 میلیون نفر بیشترین تعداد مردم را با کودهای نیتروژن مصنوعی تغذیه می کند و پس از آن چین (530 میلیون نفر) و ایالات متحده آمریکا (480 میلیون نفر) قرار دارند.

در سال 2019، صادرات کود نیتروژن مصنوعی معادل 38 درصد (47 میلیون تن نیتروژن در سال) تولید جهانی بود. صادرات فقط در چند کشور متمرکز است (شکل، قسمت بالا را ببینید)، با روسیه بزرگترین صادرکننده خالص (9.2 میلیون تن در سال) و پس از آن چین (5.6 میلیون تن شمالی) و مصر (3 میلیون تن از شمال). با این حال، برخی از صادرکنندگان خالص کودهای نیتروژن مصنوعی واردکنندگان بزرگ گاز طبیعی هستند که این کشورها را در برابر شوک‌های انرژی آسیب‌پذیر می‌کند – همانطور که با بحران انرژی فعلی مشخص شد. محاسبه واردات گاز طبیعی، تعداد کشورهایی را که می توانند کودهای نیتروژن مصنوعی را به صورت خودکفا تولید کنند، کاهش می دهد. قسمت پایین شکل نشان می دهد که در حالی که تعدادی از کشورها از جمله چین، آلمان و لهستان واردکننده خالص کودهای نیتروژن مصنوعی (از طریق واردات گاز طبیعی) شده اند، تولیدکنندگان عمده سوخت فسیلی مانند روسیه و عربستان سعودی همچنان صادرکننده خالص هستند.

اتکا به کود نیتروژن مصنوعی بر تجارت بین المللی، امنیت غذایی و سیستم های غذایی جهانی را آسیب پذیر می کند. به گفته فائو، امنیت غذایی زمانی حاصل می‌شود که همه مردم در همه زمان‌ها به مواد غذایی کافی، ایمن و مغذی دسترسی فیزیکی، اقتصادی و اجتماعی داشته باشند تا نیازهای غذایی و ترجیحات غذایی خود را برای یک زندگی سالم فعال برآورده کنند. با در نظر گرفتن دسترسی فیزیکی ایمن به پروتئین، دریافتیم که 1.07 میلیارد نفر در سال مواد غذایی وابسته به واردات کود مصرف می کنند. اما 710 میلیون نفر دیگر به واردات گاز طبیعی که برای تولید کودهای نیتروژن مصنوعی استفاده می شود وابسته هستند. بنابراین، در سراسر جهان، 1.78 میلیارد نفر در سال از مواد غذایی وابسته به واردات کود یا گاز طبیعی تغذیه می‌شوند. بنابراین بدون تجارت این کالاها، کمبود مواد غذایی گسترش می یابد و تأثیرات مخربی بر میلیون ها نفر خواهد داشت.

انتشار کربن در تولید آمونیاک
NH3 پیش ساز بیشتر کودهای نیتروژن مصنوعی است و تولید NH3 تقریباً 90 درصد از کل مصرف انرژی و انتشار CO2 در صنعت کود نیتروژن را تشکیل می دهد. بنابراین، دستیابی به انتشار خالص CO2 در تولید NH3 یک گام بزرگ به سمت کودهای خالص صفر است. تولید جهانی NH3 حدود 183 میلیون تن در سال است که تقریباً 70 درصد آن به کودهای نیتروژن مصنوعی اختصاص می یابد، در حالی که بخش باقی مانده برای پلاستیک، مواد منفجره و تولید نساجی استفاده می شود. سنتز NH3 انرژی و کربن فشرده است. انتشار جهانی گازهای گلخانه ای ناشی از تولید NH3 حدود 450 میلیون تن CO2 در سال است. با این حال، انتشار کربن خاص کشور از تولید کود نیتروژن مصنوعی تا همین اواخر نادیده گرفته شده است. تجزیه و تحلیل ما نشان می دهد که 310 میلیون تن CO2 در سال در سطح جهان توسط تولید آمونیاک برای تولید کودهای نیتروژن مصنوعی منتشر می شود. چین مسئول بیشترین میزان انتشار CO2 (117 میلیون تن CO2 در سال) است و پس از آن هند (45 میلیون تن CO2 در سال) و ایالات متحده آمریکا (31 میلیون تن CO2 در سال) قرار دارند.

تولید متعارف NH3 از طریق فرآیند Haber-Bosch از گاز طبیعی (70٪)، زغال سنگ (26٪)، نفت (1٪) و برق (4٪) به عنوان خوراک استفاده می کند. این یک فرآیند بسیار یکپارچه است، اما می توان آن را به دو مرحله اصلی تقسیم کرد: تولید هیدروژن از سوخت های فسیلی و سنتز NH3 از واکنش هابر-بوش. در اکثر کشورها، هیدروژن در حال حاضر از طریق اصلاح متان بخار (SMR) گاز طبیعی تولید می‌شود، اگرچه چین گازی‌سازی زغال سنگ را اعمال می‌کند. در حالی که بهبود در بهره وری انرژی و شدت کربن در حال انجام است و شدت انتشار تولید NH3 را تا 12 درصد در 15 سال گذشته کاهش داده است، تولید NH3 خالص صفر نیاز به حذف تدریجی سوخت فسیلی دارد.

سه مسیر خالص تولید صفر و پیامدهای انرژی-زمین-آب آنها
انتشار خالص صفر CO2 در تولید NH3 را می توان از طریق الف) تولید هیدروژن از سوخت های فسیلی ادغام شده با جذب و ذخیره کربن، ب) الکترولیز آب با استفاده از الکتریسیته کم کربن، و ج) تبدیل به گاز زیست توده، مانند خرده چوب از محصولات به دست آورد. و بقایای جنگلداری در مسیر جذب و ذخیره کربن، NH3 هنوز از سوخت‌های فسیلی از طریق فرآیند معمولی هابر-بوش تولید می‌شود. انتشار دی اکسید کربن تولید شده در طول سنتز NH3 گرفته می شود، حمل می شود و به طور دائم در ساختارهای زمین شناسی زیرزمینی مناسب ذخیره می شود. در مسیر برق‌رسانی، هیدروژن از الکترولیز آب از طریق الکتریسیته کم کربن تولید می‌شود که فرآیند Haber-Bosch را نیز تامین می‌کند. در مسیر زیست توده، CO2 از طریق فتوسنتز در طول رشد زیست توده از هوا گرفته می شود و سپس پس از سنتز و دفع محصول مبتنی بر زیست توده منتشر می شود، بنابراین منجر به انتشار خالص CO2 صفر می شود. زیست توده حاوی اتم های کربن و هیدروژن و همچنین انرژی مورد نیاز برای سنتز NH3 است.

در حالی که تمام مسیرهای صفر خالص که در بالا توضیح داده شد از نظر فنی امکان پذیر هستند و برخی از آنها امکان اجتناب از اتکا به سوخت های فسیلی را فراهم می کند، یک رویکرد جامع برای تعیین کمیت امکان سنجی زیست محیطی و جلوگیری از پیامدهای زیست محیطی ناخواسته مورد نیاز است. جدول زیر مقادیر مرجع انتشار جهانی CO2، انرژی مورد نیاز، کاربری زمین و مصرف آب را گزارش می دهد. به عنوان مثال، کربن زدایی تولید NH3 با مسیر برق رسانی به حدود 1200 تراوات ساعت (TWh) برق (یا 5 درصد از کل مصرف برق جهانی در سال 2019) نیاز دارد، در مقایسه با 48 TWh که در حال حاضر در یک کسب و کار معمول استفاده می شود. مسیر تولید در مجموع، مسیرهای صفر خالص نسبت به مسیرهای معمولی، زمینی، انرژی و آب فشرده‌تر هستند. این بهای دستیابی به انتشار خالص صفر است. به طور کلی، مسیر زیست توده پر مصرف ترین مسیر آب و زمین است (بیشتر از طریق شدت آب و زمین برای رشد مواد اولیه زیست توده)، در حالی که مسیر برق رسانی پر انرژی است (بیشتر به دلیل مقدار برق مورد نیاز برای تولید. هیدروژن از طریق الکترولیز آب). بیایید کمی دقیق تر به این موضوع نگاه کنیم:

با صرف انرژی بیشتر، تولید NH3 با صفر خالص، لزوماً آسیب پذیری در برابر شوک های انرژی را کاهش نمی دهد. برای مثال، تولید خالص NH3 بر اساس مسیر برق‌رسانی می‌تواند آسیب‌پذیری در برابر شوک‌های بازارهای کالا را حداقل از نظر نفت، متان و زغال‌سنگ کاهش دهد، اما همچنان نسبت به قیمت برق آسیب‌پذیر خواهد بود. استقرار فرآیندهایی برای سنتز کودهای نیتروژن از انرژی های تجدیدپذیر (به عنوان مثال مسیر برق رسانی و زیست توده) می تواند انتشار CO2 را کاهش دهد و در عین حال از وابستگی به واردات سوخت های فسیلی جلوگیری کند. در مقابل، در حالی که جذب و ذخیره کربن باعث افزایش انتشار خالص صفر می شود، وابستگی سیستم غذایی به سوخت های فسیلی را کاهش نمی دهد. همچنان با استفاده از میانگین 77 میلیون تن کربن از سوخت های فسیلی در سال، سیستم غذایی جهانی را در برابر شوک های انرژی آسیب پذیر می کند. علاوه بر این، جذب و ذخیره کربن به یک زیرساخت گسترده برای انتقال و ذخیره دائمی CO2 جذب شده در محل تولید نیاز دارد. در حالی که ارزیابی های اخیر نشان می دهد که بین 7000 تا 55000 Gt CO2 را می توان در سرتاسر جهان ذخیره کرد، ذخیره CO2 هنوز با مشکلاتی در مورد در دسترس بودن، دسترسی و پذیرش سایت های ذخیره سازی واقعی مواجه است.

نکته مهم این است که ارزیابی ما نشت گاز طبیعی در طول زنجیره تامین را به حساب می‌آورد که در اینجا 1.5 درصد گاز طبیعی مورد نیاز فرض می‌شود. با این حال، شایان ذکر است که نشت گاز طبیعی بر انتشار کربن تأثیر می گذارد، بنابراین مصرف زمین، انرژی و آب مورد نیاز برای دستیابی به انتشار خالص صفر از مسیر جذب و ذخیره کربن است. مسلماً، مسیر جذب و ذخیره کربن برای محصولات شیمیایی غنی از کربن، مانند متانول و پلاستیک، که برخلاف NH3، حاوی مولکول کربن در محصول نهایی هستند، استفاده بهتری خواهد داشت، همانطور که در تحقیقات قبلی نشان دادیم. برخلاف جذب و ذخیره‌سازی کربن، مسیرهای الکتریکی و زیست توده می‌توانند در عین اجتناب از سوخت‌های فسیلی، به انتشار خالص صفر برسند. با این حال، مسیر برق رسانی به انرژی 25 برابر بیشتر از مسیر معمولی نیاز دارد. مسیر زیست توده 1000 برابر بیشتر از مسیر معمولی به زمین و آب نیاز دارد و از 26 میلیون هکتار زمین و 255 میلیارد متر مکعب آب استفاده می کند. برای رشد این افزایش گسترده در زیست توده، ورودی های نیتروژن بیشتر و همچنین تسهیلات حمل و نقل و پردازش مورد نیاز است. علاوه بر این، برای دستیابی به انتشار خالص صفر در بخش‌های دیگر، هم زیست توده و هم برق مورد نیاز است و رقابت برای این منابع محدود می‌تواند استفاده از آنها را برای تولید NH3 محدود کند. برای جلوگیری از تأثیرات ناخواسته بر منابع طبیعی و تنوع زیستی و استفاده اضافی از زمین، آب و کود، زیست توده باید به طور پایدار از زیست توده زباله، و جنگل‌ها و بقایای محصولات کشاورزی تأمین شود.
در حالی که مسیرهای تولید نیتروژن با صفر خالص می تواند مسائل مربوط به انرژی و امنیت غذایی موجود در تولید NH3 معمولی را حل کند، آنها همچنین می توانند نابرابری هایی را در تولید کود نیتروژن NH3 ایجاد کنند و اقتصادهای از نظر فنی پیشرفته تر به تسلط بر این بخش ادامه دهند.

چگونه تقاضای جهانی آمونیاک را کاهش دهیم
با انتشار 310 میلیون تن CO2 در سال، سنتز معمول NH3 برای تولید کودهای نیتروژن مصنوعی، بشریت را متعهد به سطوح آلاینده می کند که با اهداف خالص صفر مورد نیاز برای حفظ گرمایش جهانی زیر 1.5 درجه سانتیگراد سازگار نیست. تخمین زده می شود سالانه 30 میلیون تن CO2 اضافی از حمل و نقل NH3 حاصل شود. اگرچه NH3 یک گاز گلخانه ای نیست، اما استفاده بیش از حد از آن باعث می شود میکروب های موجود در خاک آن را به اکسید نیتروژن تبدیل کنند، گازی گلخانه ای 300 برابر قوی تر از دی اکسید کربن و مسئول تخریب لایه ازن استراتوسفر. تخمین زده می شود که هر سال کودهای نیتروژن 2.3 میلیون تن اکسید نیتروژن، معادل 670 میلیون تن انتشار CO2 منتشر می کنند، که باعث می شود مجموع انتشار جهانی (انتشار مستقیم و غیرمستقیم) از کودهای نیتروژن مصنوعی به 1010 میلیون تن CO2 در سال در هنگام محاسبه انتشار NH3 برسد. برای کودهای نیتروژن یا 2 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای جهانی.

انتظار می رود رشد اقتصادی و جمعیت تا سال 2050 تقاضای جهانی غذا را دو برابر کند. بنابراین، کودهای نیتروژن مصنوعی همچنان جزء اصلی و رو به رشد بهره وری کشاورزی در این قرن هستند. در حالی که مسیرهای صفر خالص که در اینجا تحلیل می‌شوند می‌توانند انتشار گازهای گلخانه‌ای در سمت عرضه را کاهش دهند، اقدامات سمت تقاضا می‌تواند تقاضای آتی NH3 را کاهش داده و به طور قابل‌توجهی کار دستیابی به انتشار خالص صفر را در حالی که معاوضه‌های زیست‌محیطی و شوک‌های سیاسی-اجتماعی را در نظر می‌گیرد، آسان کند. برای تامین غذا و انرژی). تشویق رژیم های غذایی با ردپای نیتروژن کم یا گوشت کمتر، کاهش تلفات و ضایعات مواد غذایی و بهبود کارایی مصرف نیتروژن می تواند تقاضای آتی NH3 را کاهش دهد. اول، میانگین جهانی راندمان مصرف نیتروژن – سهم نیتروژن مصرفی موجود در تولید مواد غذایی – حدود 46 درصد تخمین زده می شود، به این معنی که بیش از نیمی از نیتروژن مصنوعی در محیط پراکنده شده و برای کشت محصولات استفاده نمی شود. کشاورزی دقیق می تواند کارایی استفاده از کود نیتروژن را در محصولات افزایش دهد. دوم، تلفات نیتروژن از مزرعه تا چنگال بین 41 تا 44 درصد است و عمدتاً به دلیل تلفات برداشت و توزیع و ضایعات مواد غذایی است. چنین تلفاتی را می توان با کاهش ضایعات مواد غذایی و بهبود کارایی در زنجیره تامین مواد غذایی کاهش داد. سوم، تغییر رژیم غذایی به رژیم های کم نیتروژن فشرده می تواند تقاضای نیتروژن را کاهش دهد. در حالی که سرانه مصرف پروتئین روزانه توصیه شده برای یک رژیم غذایی سالم تقریباً 50 گرم (یا حدود 9 گرم نیتروژن) تخمین زده می شود، امروزه متوسط مصرف جهانی 84 گرم پروتئین است. تعدیل مصرف غذاهای حیوانی می تواند تقاضای نیتروژن را کاهش دهد. نکته مهم، در حالی که میانگین دریافت پروتئین بالاتر از مقدار توصیه شده برای رژیم های غذایی سالم است، یک میلیارد نفر هنوز در سراسر جهان از کمبود پروتئین رنج می برند، که نشان دهنده نابرابری در سیستم های غذایی ما است.

با در نظر گرفتن تلفات، ناکارآمدی ها و ضایعات، تخمین زده می شود که تنها حدود 20 درصد از کودهای نیتروژن مصنوعی تولید شده جمعیت جهان را تغذیه می کند. بنابراین، تقریباً 80 درصد از کودهای نیتروژن مصنوعی به دلیل ناکارآمدی در سیستم های غذایی ما از بین می رود. انتقال از یک اقتصاد خطی به یک اقتصاد دایره ای، جذب و بازیافت نیتروژن از زباله می تواند استفاده از منابع و انرژی مورد نیاز برای تولید کودهای نیتروژن مصنوعی را تعدیل کند. ترویج استفاده از کودهای آلی مانند کود دامی یا کمپوست می تواند تقاضای NH3 را کاهش دهد. خروجی نیتروژن کود حیوانی منبع اصلی بازیافت نیتروژن و بازیافت در سطح جهان است. هضم تولید شده از هضم بی هوازی کود دامی را می توان برای بازیابی نیتروژن در زمین های زراعی پخش کرد. با این حال، کودهای آلی اغلب گرانتر هستند، در آزادسازی مواد مغذی کندتر هستند و در حال حاضر قادر به حمایت از نیازهای نسل فعلی یا آینده نیستند. در حالی که پیشرفت های علمی امیدوارکننده ای برای کودهای جایگزین در حال انجام است، بسیاری از این رویکردها نیاز به توسعه بیشتر دارند. بیوانفورماتیک و ژنومیک گیاهی هر دو می توانند مصرف کود را کاهش دهند. سنتز الکتروشیمیایی و فرآیندهای فعال شده با پلاسما روش‌های امیدوارکننده دیگری هستند که می‌توانند به عنوان جایگزینی برای فرآیند Haber-Bosch به کار گرفته شوند.

نتیجه گیری
فراتر از وضعیت موجود و بررسی تأثیر متقابل بین امنیت غذایی و اهداف آب و هوایی، ما مسیرهای جایگزینی را که امروزه برای کاهش ردپای کربن کودها از طریق انتشار خالص CO2 در تولید NH3 در دسترس هستند، تجزیه و تحلیل کرده‌ایم. این مسیرهای صفر خالص، پتانسیل همسویی سیستم غذایی با اهداف آب و هوایی جهانی را دارند، در حالی که با کاهش وابستگی سیستم غذایی به سوخت‌های فسیلی، امنیت غذا و مواد مغذی را افزایش می‌دهند. با این حال، آنها به زمین، آب و انرژی بیشتری نسبت به تولید معمولی نیاز دارند. این موضوع ارتباط تجزیه و تحلیل‌های خاص مکان را برای تعیین مسیرهای خالص صفر بهینه برای تولید کودها بر اساس شرایط فنی، محیطی و ژئوپلیتیکی مشخص می‌کند.