Kvävebaserat gödselmedel bidrar till de höga skördarna som förväntas från grödor i den utvecklade världen, men dess höga användning skadar också närliggande vatten och ekosystem. Omvänt, utvecklingsländer som mest behöver avkastningsförbättringar möter flaskhalsar när det gäller att få dessa gödselmedel på grund av höga kostnader och låga grödor.

Purdue University forskare, ledd av Nick Carpita, professor vid institutionen för botanik och växtpatologi, tror att det finns ett sätt att lösa båda problemen. I resultat publicerade i tidskriften Biofuels, Bioprodukter och bioraffinering, forskare beskriver hur bönder kunde odla tillräckligt med bioenergigrödor för att göra kvävebaserade gödselmedel billigare och minska räckvidden för dessa gödselmedel till närliggande vattendrag.

"Användning av biomassa som källa till väte och energi för ammoniakgödsel är konkurrenskraftig med elektricitet som ersättning för naturgas eller andra fossila bränslen. Dessutom, Integreringen av en flerårig biomassagröda som en gränsrad till livsmedelsgrödor är särskilt tilltalande eftersom den tillhandahåller substraten för produktion av gödningsmedel samtidigt som den mildrar miljöpåverkan från överskott av kväve, " skrev författarna.

Carpita, Maureen McCann, professor vid institutionen för biologiska vetenskaper; Rakesh Agrawal, Purdues Winthrop E. Stone framstående professor i kemiteknik; Gary Burniske, verkställande direktör för Purdue Center for Global Food Security; och andra Purdue-forskare uppskattar att bönder kan använda 5 % eller mindre av sina åkrar för att odla tillräckligt med bioenergigrödor, som söt sorghum eller ett flerårigt gräs som switchgrass, att skapa det bränsle som behövs för att producera kvävegödselmedel som ammoniak.

Att använda bioenergi skulle inte bara vara ett renare miljöval än naturgas eller kol, men grödorna kunde användas på fältens kanter som buffertar för att begränsa mängden kväve som sköljs från dessa fält till lokala vatten.

"Det är en liten del av en odlares areal för att göra den energi som behövs för att helt tillfredsställa gödselbehovet för ett helt fält. Du kan applicera 150 pund kväve per hektar, vilket är mer än tillräckligt, och du skulle bara behöva 5 % biomassa per hektar, " sade Carpita. "Biomassan har en bonus. Där du odlar kan det förbättra ekologin. Din biomassa kan skapa jordfångning, erosionsbrytande rader som förbättrar den lokala vattendelaren."

Biomassagrödorna kan förgasas direkt eller förvandlas till H2Bioil för transport till förgasaren, ger en källa till väte som behövs för ammoniak och energi för att driva produktionen. Studien visar att det kostar cirka 54 dollar för tillräckligt med naturgas för att skapa 150 kilo ammoniak. Motsvarande el- eller biomassakostnader i utvecklade länder är för närvarande ungefär fyra gånger så hög, vilket innebär att produktionskostnaderna måste sjunka eller att naturgaspriserna stiger avsevärt för att göra processen kostnadseffektiv.

Men det kan fortfarande vara fördelaktigt i utvecklingsländer där mobila bearbetningsanläggningar eller mindre kemiska anläggningar kan föra produktion nära gårdar som saknar tillgång till kvävebaserade gödningsmedel. De mindre anläggningarna finns inte ännu, men Agrawal sa att hans team arbetar på att utveckla dem.

"Vi kemiingenjörer är vana vid att bygga stora anläggningar. Vi måste tänka om inte bara enhetens verksamhet, men hur vi ska förenkla allt i en anläggning för att få den att fungera i en mindre distribuerad skala, " Agrawal sa. "Det som är bra är att vi har börjat arbeta på det. Detta kan hända inom decenniet."

Burniske sa att biomassastrategin för ammoniakproduktion troligen skulle vara genomförbar tidigare i Afrika söder om Sahara, där jordar är låga i kväve och det finns liten gödselproduktion i regionen.

"Afrika är den mest kvävefattiga regionen i världen, och där gödselmedel finns tillgängligt, det är dyrt, av dålig kvalitet och utom räckhåll för småbrukare, sa Burniske.

Ett område i Östafrika – där länder är mindre och kan dela en stor produktionsanläggning, och har transportinfrastrukturen att leverera – skulle kunna använda biomassastrategin för att skapa prisvärda kvävebaserade gödselmedel.

"Minskningen av kostnaden för gödselmedel och den åtföljande kvalitetshöjningen skulle öka användningen av småbrukare och öka avkastningen i områden där det finns stora populationer av människor som är osäker på livsmedel, ", sa Burniske. "Särskilt trädgårdsgrödor skulle gynnas eftersom de är mer krävande när det gäller kväveintag, och trädgårdsgrödor är höga i mikronäringsämnen i en region där mikronäringsbrist är utbredd. Bönder som producerar mer högvärdiga trädgårdsgrödor skulle se en inkomstökning och en multiplikationseffekt som ökar den ekonomiska utvecklingen på landsbygden."

Författarna tillägnade sin uppsats till författaren Wally Tyner, som var James och Lois Ackerman professor i jordbruksekonomi vid Purdue, en senior fellow för U.S. Association for Energy Economics och en amerikansk senator Richard Lugar "Energy Patriot". Tyner dog förra året.