Produrre fertilizzanti in modo più rispettoso del clima

 (Immagine: Pixabay CC0)
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I ricercatori del Politecnico di Zurigo e della Carnegie Institution for Science mostrano come i fertilizzanti azotati potrebbero essere prodotti in modo più sostenibile. Ciò è necessario non solo per motivi di protezione del clima, ma anche per ridurre la dipendenza dalle importazioni di gas naturale e aumentare la sicurezza alimentare.

L’agricoltura intensiva è possibile solo se il terreno è fertilizzato con azoto, fosforo e potassio. Mentre il fosforo e il potassio possono essere decomposti come sali, i fertilizzanti azotati devono essere prodotti in modo elaborato a partire dall’azoto dell’aria e dall’idrogeno, la cui produzione è estremamente dispendiosa dal punto di vista energetico. Sono necessarie grandi quantità di gas naturale o, soprattutto in Cina, di carbone. L’impronta di CO2 è di conseguenza elevata, così come la dipendenza dall’energia fossile e quindi anche la vulnerabilità agli shock dei prezzi sui mercati energetici.

Paolo Gabrielli, Senior Scientist presso il Laboratory for Reliability and Risk Engineering dell’ETH di Zurigo, insieme a Lorenzo Rosa, Research Group Leader presso la Carnegie Institution for Science di Stanford, USA, hanno studiato diverse vie di produzioneCO2-neutrali per i fertilizzanti azotati. In uno studio esterno pubblicato sulla rivista "Environmental Research Letters", i due ricercatori concludono che un cambiamento nella produzione di azoto è possibile e che tale cambiamento potrebbe anche aumentare la sicurezza alimentare. Tuttavia, i metodi di produzione alternativi presentano vantaggi e svantaggi. In particolare, i due ricercatori hanno esaminato tre alternative:

  • L’idrogeno necessario viene prodotto con fonti energetiche fossili, come avviene attualmente, e il gas serraCO2 non viene emesso nell’atmosfera, ma viene catturato negli impianti di produzione e stoccato permanentemente nel sottosuolo(Carbon Capture and Storage, CSS). Ciò richiede non solo un’infrastruttura per la cattura, il trasporto e lo stoccaggio dellaCO2, ma anche una corrispondente maggiore quantità di energia. Tuttavia, si tratta di un metodo di produzione relativamente efficiente. Tuttavia, non cambia la dipendenza dai combustibili fossili.
  • La produzione di fertilizzanti può essere elettrificata producendo idrogeno dall’acqua per mezzo dell’elettrolisi, ma ciò richiede un’energia circa 25 volte superiore all’attuale produzione con gas naturale. Quindi avrebbe bisogno di molta energia elettrica proveniente da fonti neutre dal punto di vista climatico. Questo approccio è interessante per i Paesi in cui è disponibile molta energia solare o eolica. Tuttavia, ci sono piani per elettrificare altri settori dell’economia per motivi di protezione del clima. Questo potrebbe portare alla concorrenza per l’elettricità sostenibile.
  • Se l’idrogeno per la produzione di fertilizzanti viene ricavato dalla biomassa, sono necessari molti terreni coltivabili e acqua. Quindi, ironia della sorte, questa via di produzione è in concorrenza con la produzione alimentare. Secondo gli autori dello studio, ha senso utilizzare la biomassa di scarto, ad esempio gli scarti delle coltivazioni.

Secondo gli scienziati, la chiave del successo sarà probabilmente la combinazione di tutti questi approcci, a seconda del Paese, delle condizioni locali e delle risorse disponibili. Inoltre, i fertilizzanti azotati devono essere utilizzati in modo più efficiente, sottolinea Lorenzo Rosa: "Se si affrontano problemi come la sovraconcimazione e i rifiuti alimentari, si può anche ridurre la necessità di fertilizzanti".

India e Cina a rischio

Nello studio, gli scienziati hanno anche analizzato i Paesi del mondo in cui la sicurezza alimentare è attualmente particolarmente a rischio a causa della loro dipendenza dalle importazioni di azoto o di gas naturale. Questi Paesi sono particolarmente vulnerabili agli shock dei prezzi nei mercati del gas naturale e dell’azoto: India, Brasile, Cina, Francia, Turchia e Germania.

La decarbonizzazione della produzione di fertilizzanti ridurrebbe questa vulnerabilità in molti casi e aumenterebbe la sicurezza alimentare. Questo perché almeno l’elettrificazione con energie rinnovabili o l’uso di biomasse riduce la dipendenza dalle importazioni di gas naturale. Tuttavia, i ricercatori hanno messo questo punto in prospettiva: tutti i metodi di produzione di fertilizzanti azotatineutri dal punto di vista della CO2 sono più intensivi dal punto di vista energetico rispetto all’attuale uso di energia fossile. Pertanto, si sarebbe ancora vulnerabili a determinati shock dei prezzi, non direttamente a quelli dei mercati del gas naturale, ma eventualmente a quelli dell’elettricità.

Cambiamento tra i produttori di azoto

I Paesi produttori di fertilizzanti azotati subiranno probabilmente dei cambiamenti nel contesto della decarbonizzazione, come dimostrano gli scienziati nello studio. I maggiori Paesi esportatori di azoto sono oggi Russia, Cina, Egitto, Qatar e Arabia Saudita. Ad eccezione della Cina, che deve importare gas naturale, tutti questi Paesi dispongono di riserve proprie di gas naturale. In futuro, i Paesi che producono molta energia solare ed eolica e che allo stesso tempo dispongono di sufficienti riserve di terra e di acqua, come il Canada e gli Stati Uniti, avranno maggiori probabilità di beneficiarne.

"Non possiamo evitare di rendere più sostenibile la domanda di azoto dell’agricoltura in futuro, sia per raggiungere gli obiettivi climatici che per motivi di sicurezza alimentare", afferma Paolo Gabrielli. La guerra in Ucraina sta influenzando il mercato alimentare mondiale non solo perché il Paese esporta normalmente molto grano, ma anche perché i prezzi del gas naturale sono aumentati a causa della guerra. Per questo motivo sono aumentati anche i prezzi dei fertilizzanti azotati. Tuttavia, è noto che alcuni produttori di fertilizzanti non sono più in grado di produrre economicamente a causa degli esorbitanti costi del gas e hanno interrotto la produzione, almeno temporaneamente.

Riferimento alla letteratura

Rosa L, Gabrielli P: Energy and food security implications of transitioning synthetic nitrogen fertilizers to net-zero emissions, Environmental Research Letters 2022, doi: external page 10.1088/1748-9326/aca815