低碳排放的合成氮肥　對能源與糧食安全的影響

編譯／高晟鈞

氮、磷和鉀是肥料的三種最重要的元素，其中以氮肥為最。氮肥最早的來源是鳥糞，再來是天然硝石，最後是將氮氣和氫氣混合，透過高溫高壓加上以鐵作為催化劑，合成了氨氣，進而製造氮肥，這就是有名的「哈柏法」，而哈柏法也是現在生產氮肥的主要方法。

儘管氮氣在空氣中佔78%，看似源源不絕，但製造過程卻需要耗費大量能源，且真正被植物吸收的氮肥只有30-50%。這些沒有被植物所吸收的氮肥會產生一氧化二氮，一種比二氧化碳強烈300倍的溫室氣體，造成嚴重的碳排放；而且殘留在土壤中的氮肥會被雨水沖刷，經地下水、河流排放到海洋，造成近海的海水優養化，使大量漁業資源枯竭。

蘇黎世聯邦理工學院可靠性與風險工程實驗室高級科學家Paolo Gabrielli與美國斯坦福卡內基科學研究所首席研究員Lorenzo Rosa合作，研究氮肥的各種碳中和生產方法。發表於Environmental Research Letters的文獻提出了三項主要針對氮肥碳中和的方法。

前文提到哈柏法是如今生產氮肥的主要方法，因此這些方法主要針對如何有效產生氫氣，氮肥生產的一主要元素。

第一，像往常一樣使用石化燃料生產，但將排放的二氧化碳利用碳捕獲設施捕捉；第二透過電解水產生氫氣實施肥料電氣化；最後是從生質合成肥料所需要的氫氣。

這些方法各有利弊，基礎設施需要更多相應的能源，並且對減少化石燃料的依賴絲毫沒有幫助；肥料電氣化則需要高於傳統25倍的能源消耗；而從生物質合成氫氣需要大量耕地與水，對糧食生產反而有種本末倒置的意味。

目前受到俄烏戰爭影響，依賴天然氣進口的國家，糧食安全面臨巨大問題，像是印度、巴西、中國和德國等。

科學家們表示，目前大多數碳中和方法都需要比傳統更高的能源消耗，未來比較有可能受益的只有太陽能、風能發電量大，土地與水資源儲備充足的國家，例如美國和加拿大。

「為了實現氣候目標和糧食安全，我們需要在未來使農業對氮的需求更具可持續性。」Gabrielli說。

資料來源:Phys.org

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