Энергия и цивилизация

Примечание 6.2. Энергетические затраты на производство азотистых удобрений

Энергетические расходы на синтез по схеме Габера – Боша включаюттопливо и электричество, используемые в процессе, и энергию, воплощенную в сырье. Процесс, базирующийся на коксе, с которого все начиналось на заводе BASF, требовал более 100 ГДж/т NH₃

в 1913 году; перед Второй мировой войной показатель уменьшился до около 85 ГДж/т. После 1950 года процесс, основанный на природном газе, снизил энергетические издержки до 50–55 ГДж/т аммиака; центрифугальные компрессоры, более эффективные катализаторы и паровая конверсия под высоким давлением уменьшили сначала до менее 40 ГДЖ/т к 1970-м годам, затем до 30 ГДЖ/т к 2000-му, когда лучшим заводам требовалось всего 27 ГДЖ/т, близкое значение к стехиометрическим энергетическим расходам (20,8 ГДж/т) для синтеза аммиака (Kongshaug1998; Smil 2001). Обычно новый завод на природном газе тратит около 30 ГДж/т, примерно на 20 % больше в случае использования тяжелых нефтепродуктов, и до 48 ГДж/т при синтезе на основе угля (Rafiqul et al. 2005; Noelker and Ruether 2011).

Средняя производительность составляла около 35 ГДж/т в 2015 году; последний показатель соотносится с 43 ГДж/т азота. Но большинство фермеров не применяют аммиак (газ при обычном давлении), они предпочитают жидкости или твердые вещества, особенно мочевину, содержащую больше всего азота (45 %) среди всех твердых веществ, которые легко использовать даже на небольших участках. Превращение аммиака в мочевину, упаковка и транспорт увеличивают общие энергетические затраты до 55 ГДж/т. Используя этот показатель в качестве глобального среднего, можно подсчитать, что в 2015 году, когда около 115 Мт азота было использовано в сельском хозяйстве, на синтез азотистых удобрений ушло 6,3 ЭДж энергии, или чуть более 1 % глобального потока энергии (Smil 2014а).

Никакое другое использование энергии не предлагает такую отдачу в виде роста урожая, как использование синтетического азота: потратив, грубо, 1 % глобальной энергии, можно обеспечить около половины всех питательных веществ, потребляемых ежегодно злаками всего мира. Поскольку около трех четвертей всего азота в пищевых белках поступают из обрабатываемой земли, почти 40 % текущих поставок пищи зависят от процесса синтеза аммиака Габера-Боша. Если перевернуть данные, можно сказать, что без синтеза по схеме Габера-Боша число людей, получающих удовольствие от современного рациона, составило бы 40 % от сегодняшнего.

Западные страны, использующие большую часть зерна в качестве пищевого сырья, могут с легкостью уменьшить зависимость от синтетического азота, снизив высокое потребление мяса. Бедные страны с большим населением имеют куда меньшую свободу выбора. Особенно стоит отметить, что синтетический азот обеспечивает около 70 % всех энергетических вложений в Китае. Более 70 % белка в стране происходит из злаков, и поэтому, грубо говоря, половина всего азота в пище Китая поступает из синтетических удобрений. В его отсутствие обеспечение продуктами упадет до полуголодного уровня, или текущий уровень питания будет доступен только для половины населения.