Investigadores de ETH Zurich y Carnegie Institution for Science han demostrado cómo se podría producir fertilizante nitrogenado de manera más sostenible.
por Fabio Bergamin, ETH Zúrich
Esto es necesario no solo para proteger el clima, sino también para reducir la dependencia del gas natural importado y aumentar la seguridad alimentaria.
La agricultura intensiva solo es posible si el suelo se fertiliza con nitrógeno, fósforo y potasio. Mientras que el fósforo y el potasio se pueden extraer como sales, el fertilizante nitrogenado se debe producir laboriosamente a partir del nitrógeno del aire y del hidrógeno. Y, la producción de hidrógeno es extremadamente intensiva en energía, actualmente requiere grandes cantidades de gas natural o, como en China, carbón. Además de tener una huella de carbono correspondientemente grande, la producción de fertilizantes nitrogenados es vulnerable a los impactos de los precios en los mercados de combustibles fósiles.
Paolo Gabrielli, científico sénior del Laboratorio de Ingeniería de Confiabilidad y Riesgos de la ETH de Zúrich, ha colaborado con Lorenzo Rosa, investigador principal de la Carnegie Institution for Science en Stanford, EE. UU., para investigar varios métodos de producción de fertilizantes nitrogenados neutrales en carbono.
En un estudio publicado en la revista Environmental Research Letters , los dos investigadores concluyen que es posible una transición en la producción de nitrógeno y que tal transición también puede aumentar la seguridad alimentaria . Sin embargo, los métodos de producción alternativos tienen ventajas y desventajas. Específicamente, los dos investigadores examinaron tres alternativas:
- Producir el hidrógeno necesario utilizando combustibles fósiles como en el business-as-usual, solo que en lugar de emitir el gas de efecto invernadero CO 2 a la atmósfera, se captura en las plantas de producción y se almacena permanentemente bajo tierra (carbon capture and storage, CSS). Esto requiere no solo una infraestructura para capturar, transportar y almacenar el CO 2 sino también, en consecuencia, más energía. A pesar de esto, es un método de producción comparativamente eficiente. Sin embargo, no hace nada para reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
- Electrificación de la producción de fertilizantes mediante el uso de la electrólisis del agua para producir hidrógeno. Esto requiere en promedio 25 veces más energía que el método de producción actual que utiliza gas natural, por lo que se necesitarían enormes cantidades de electricidad de fuentes neutras en carbono. Para países con abundancia de energía solar o eólica , este podría ser un enfoque atractivo. Sin embargo, dados los planes para electrificar otros sectores de la economía en nombre de la acción climática, podría conducir a una competencia por la electricidad sostenible.
- Sintetizar el hidrógeno para la producción de fertilizantes a partir de biomasa. Dado que requiere mucha tierra cultivable y agua, irónicamente este método de producción compite con la producción de alimentos. Pero los autores del estudio señalan que tiene sentido si la materia prima es biomasa de desecho, por ejemplo, residuos de cultivos.
Los científicos afirman que la clave del éxito probablemente sea una combinación de todos estos enfoques según el país y las condiciones locales específicas y los recursos disponibles. En cualquier caso, es imperativo que la agricultura haga un uso más eficiente de los fertilizantes nitrogenados, como subraya Rosa, “Abordar problemas como la sobrefertilización y el desperdicio de alimentos también es una forma de reducir la necesidad de fertilizantes”.
India y China en riesgo
En el estudio, los científicos también intentaron identificar los países del mundo en los que la seguridad alimentaria se encuentra actualmente en especial riesgo debido a su dependencia de las importaciones de nitrógeno o gas natural. Los siguientes países son particularmente vulnerables a los choques de precios en los mercados de gas natural y nitrógeno: India, Brasil, China, Francia, Turquía y Alemania.
La descarbonización de la producción de fertilizantes reduciría en muchos casos esta vulnerabilidad y aumentaría la seguridad alimentaria. Como mínimo, la electrificación a través de energías renovables o el uso de biomasa reduciría la dependencia de las importaciones de gas natural. Sin embargo, los investigadores ponen este punto en perspectiva: todos los métodos neutrales en carbono para producir fertilizantes nitrogenados consumen más energía que el método actual de uso de combustibles fósiles . En otras palabras, todavía son vulnerables a ciertos shocks de precios, no directamente en los mercados de gas natural, pero quizás en los mercados de electricidad.
Los productores de nitrógeno enfrentan el cambio
Es probable que la descarbonización cambie la lista de países que producen fertilizantes nitrogenados , señalan los científicos en su estudio. Tal como están las cosas, las mayores naciones exportadoras de nitrógeno son Rusia, China, Egipto, Qatar y Arabia Saudita. Excepto China, que tiene que importar gas natural, todos estos países pueden recurrir a sus propias reservas de gas natural.
En el futuro, los países que probablemente se beneficiarán de la descarbonización son aquellos que generan mucha energía solar y eólica y también tienen suficientes reservas de tierra y agua, como Canadá y Estados Unidos.
“No se puede evitar el hecho de que necesitamos hacer que la demanda agrícola de nitrógeno sea más sostenible en el futuro, tanto para cumplir con los objetivos climáticos como por razones de seguridad alimentaria”, dice Gabrielli. La guerra en Ucrania está afectando el mercado mundial de alimentos no solo porque el país normalmente exporta una gran cantidad de granos, sino también porque el conflicto ha elevado los precios del gas natural .
Esto, a su vez, ha hecho que aumenten los precios de los fertilizantes nitrogenados . Aun así, se sabe que algunos productores de fertilizantes han dejado de producir, al menos temporalmente, porque el costo exorbitante del gas hace que la producción no sea rentable para ellos.
Más información: Lorenzo Rosa et al, Implicaciones para la seguridad alimentaria y energética de la transición de fertilizantes nitrogenados sintéticos a emisiones netas cero, Environmental Research Letters (2022). DOI: 10.1088/1748-9326/aca815
