Typpilannoitteet…toisaalta ja toisaalta

Ilmakehä on pullollaan typpeä, mutta nämä ovat muodostaneet typpimolekyylejä, jotka ovat kemiallisesti heikosti vuorovaikuttavia. Elämä kuitenkin tarvitsee typpeä ja sen ymmärtää katsomalla vaikka kuvia aminohappoista joissa yksinäinen typpiatomi “N” pyörii toistuvasti mukana (tai itse asiassa kahden vetyatomin kanssa…komponentti, jonka saa rikkomalla ammoniakista yhden vetysidoksen).

Typpeä, vetyä, happea ja hiiltä… (DNA:ssa myös esim. fosforia)

Prosessia missä ilmakehän typpimolekyylit muutetaan esimerkiksi ammoniakiksi jota kasvit voivat käyttää kutsutaan typen sidonnaksi. On bakteereja, jotka tähän temppuun kykenevät ja osa niistä elää symbioosissa esimerkiksi palkokasvien kanssa tarjoten niille ravinteita. Koko planeetan biosfääri (meret poislukien) kykenee sitomaan vuosittain suuruusluokaltaan noin 135 miljoonaa tonnia typpeä.

Ihmiset voivat myös sitoa typpeä ilmakehästä ja valmistaa tästä “teollisia” lannoitteita. Ihmiskunta sitoo näin typpeä tällä hetkellä n. 144 miljoonaa tonnia, mistä suurin osa käytetään lannoitteisiin. Määrä siis on aika lähellä sitä mitä muu luonto tekee yhteensä. Kemiallisesti ihmisten harjoittama prosessi vaatii sopivat olosuhteet kattiloissa ja vetyä, koska keskeinen vaadittava molekyyli on ammoniakki, jossa on yksi typpiatomi ja kolme vetyatomia. Olet ehkä kuullut, että lannoitteet valmistetaan “fossiilisista polttoaineista” ja voit ihmetellä mihin niitä tarvitaan, koska esimerkiksi hiili ei kemiallisissa kaavoissa esiinny?

Haber-Bosch prosessi ammoniakin tuotantoon

Fossiilista polttoainetta tarvitaan vedyn valmistukseen. Taloudellisesti halvin tapa vedyn valmistukseen on käyttää hiilivetyjä (lähinnä maakaasua) yhdessä veden ja kemian noituuksien kanssa. Veden happi päätyy tässä yhteen hiilivedyn hiilen kanssa muodostaen hiilidioksidia, joka siirtyy ilmakehään. Hiilivedyn ja veden vety taas muodostaa vetymolekyylejä, joista olimme kiinnostuneita. Vedyn hinta riippuu toki maakaasun hinnasta, mutta hinta saattaa olla esimerkiksi USA:ssa tällä hetkellä 2$/kg nurkilla.  Tämä kustannus on hyvin keskeinen tekijä, kun arvioidaan esimerkiksi ammoniakin tuotantokustannusta. Prosessissa vapautuu vähintään noin 14 kg hiilidioksidia yhtä vetykiloa kohden.

Mikäli hehtaarin pellolla kasvaa noin 10 tonnia kasveja vuodessa ja kasveista noin 1% on typpeä, on kasvien saatava noin 100 kg typpeä jostain. Jos levitämme 100kg teollista lannoitetta pellolle (osa toki päätyy muualle kuin mihin tarkoitettiin), tarvitsemme noin 21 kg vetyä hehtaaria kohden. Yllä olevalla arviolla tämä tarkoittaa noin 300 kg hiilidioksidipäästöjä per hehtaari typpilannoitteesta. Muut tuotantoprosessin vaiheet lisäävät päästöjä tuosta jonkin verran, mutta tuo on suurin yksittäinen tekijä. Jos pellolla tuotettiin 5 tonnia viljaa, jonka markkina-arvo on noin 850 €, voisi typen osuus olla noin 5% tuosta. Se ei siis ole valtavan keskeinen tekijä.

Toiset esittävät, että yllä oleva ei ole kestävää, koska lannoite oli “teollista” ja tarvitsimme fossiilisia polttoaineita. Kemiallisesti ammoniakki, joka tulee tehtaasta on samanlaista kuin ammoniakki, joka tulee bakteerista. Samoin prosessi ei lähtökohtaisesti tarvitse fossiilisia polttoaineita, koska vetyä voi toki tuottaa muutenkin esimerkiksi veden elektrolyysillä tai termokemiallisilla sykleillä korkeissa lämpötiloissa. Mikäli käytetty energia oli hiilivapaata ei vedyn tuotanto tällöin aiheuta hiilidoksidipäästöjä ja keskeisin komponentti typpilannoitteiden valmistuksen hiilijalanjäljestä on poistunut. Mission accomplished!

Elektrolyysillä tuotettu vety on kuitenkin merkittävästi kalliimpaa. Yksi vetykilo vaatii vähintään 35 kWh sähköä mikä tarkoittaa, että esim. 5 senttiä/kWh hinnalla pelkästään sähkölasku olisi suunnilleen yhtä suuri kuin fossiilisen vedyn lopputuotteen hinta. Kun tuohon päälle lasketaan vielä pääomakustannuksia yms. saamme lopputuloksen, että elektrolyysillä tuotettu vety on useita kertoja kalliimpaa ja hintaero kasvaa mikäli elektrolyysilaitteet eivät ole päällä 24/7.

Elektrolyysillä tuotetun vedyn hinta minimoituu mikäli laitokset voivat olla päällä koko ajan.

Kovin alhaisella päästömaksulla tuota tasapainoa ei korjata. Jotta elektrolyysi olisi kannattavaa, tulisi fossiilisen vedyn tuottajan joutua maksamaan monta sataa euroa per tupruteltu hiilidioksiditonni. Voi myös olla, että ainaisesta hypetyksestä huolimatta elektrolyysi ei tule koskaan olemaan alhaisemman kustannuksen vaihtoehto. Valitettavasti veden pilkkominen osiinsa on kuitenkin työläämpää kuin metaanin. Jos olisi pakko arvata kummalla tavalla tuotettu vety on halvempaa, olisi järkevämpää lotota fossiilisen vedyn puolesta. Toisaalta jos käytössä olisi merkittävästi maakaasua halvempaa energiaa tilanne voi muuttua.

Mainitsin jo aikaisemmin, että typpilannoitteen hinta saattaa olla noin 5% maanviljelijän lopputuotteen arvosta ja se taas on pieni osa siitä hinnasta mitä kuluttajina maksamme ruuasta kaupassa. Mikäli vain tekisimme päätöksen fossiilisen vedyn kieltämisestä, tuskin se mitään suurempia mullistuksia aiheuttaisi etenkin mikäli samalla emme vaadi vedyn tuotantoa tavoilla, jotka ovat erityisen kalliita.

Toisille tämän kaltainen tuumailu on jo merkki epäkestävän maailman ajamisesta. Ruokaa tulisi tuottaa “ei-teollisesti” ja kemian kaavoilla ja teollisuuden prosesseilla ja kannattavuudella ei tulisi olla tässä keskustelussa osaa. Meidän tulisi luottaa vain biologiseen typensidontaa. Mitä tämä voisi tarkoittaa? Jos kylvämme hehtaarille apilaa, se saattaa vuoden aikana sitoa ehkä sen noin 100 kg typpeä mitä viljely vaati. Huomattavaa kuitenkin on, että tällöin pelto tuottaisi ruokaa vain joka toinen vuosi eli saman kalorimäärän tuottaminen vaatisi pyöreästi kaksinkertaisen viljelyalan. Voimme myös tuoda pellolle ravinteita sen ulkopuolelta. Luomusäännöissä on tällä hetkellä porsaanreikä missä tavallista rehua syövän eläimen lanta voidaan laskea “luomulannoitteeksi”. Eli jossain on teollisesti lannoitettu rehupelto, lehmä syö rehun ja käyttää sen typestä vain osan ja lannan sisältämä “teollinen” typpi on muuttunut “kestäväksi”. Tämä on huono vitsi ja porsaanreikä pitäisi sulkea mahdollisimman pian.

Mutta jos käytämme viljelyyn hehtaarin sijasta kaksi niin, että toisella hehtaarilla viljellään  apilaa (tai muuta vastaavaa) ja toisella viljaa, voimme tuottaa saman ruokamäärän joka vuosi. Valitettavasti tuossa pitää laskea maankäytön päästövaikutukset mukaan. Suomessa hehtaarilla metsää on ilmeisesti hiiltä tyypillisesti ehkä reilut 100 tonnia. Tämä voi pyöreästi puolittua, kun metsä korvataan pellolla ja jos vuotanut hiili jaetaan esimerkiksi 50 vuoden ajalle tuo tarkoittaa noin tonnin hiilipäästöä per vuosi eli hiukan vajaa 4 tonnia hiilidioksidia per vuosi. 

Summittainen arvio eri typensidontamenetelmien hiilidioksidipäästöistä hehtaarilla peltoa.

Ylläolevan arvion yksityiskohtia voi toki viilata, mutta suuri kuva ei muutu. Maankäytön muutoksiin liittyvät kasvihuonekaasupäästöt ovat merkittävästi korkeampia kuin fossiilisilla tuotetun typpilannoitteen päästöt. Teollisen typpilannoitteen korvaaminen biologisella sidonnalla ei tällä hetkellä ole lähtökohtaisesti siirtymä kohti kestävämpään tuotantoa vaan siitä pois päin.

On pienempiä sektoreita millä tämä voi kuitenkin olla perusteltua. Esimerkiksi biodiversiteetin suojelu voi edellyttää niittyjen ennallistamista ja ylläpitämistä ja tässä vanhoilla viljelykäytänteillä voi olla järkevä rooli. Alhaisten tuotantomäärien vuoksi ne eivät kuitenkaan ole kestävä vaihtoehto ihmiskunnan ruokkimiseksi. Itse asiassa jo alussa mainittu huomio siitä, että teollinen typensidonta on samaa suuruusluokkaa kuin biologinen olisi riittänyt tämän huomion tekemiseksi. Jos teollisesta typensidonnasta luovutaan, ihmiskunnan pitäisi valjastaa loputkin planeetasta vatsansa täyttämiseksi.

Bioteknologia voisi tarjota kiinnostavan vaihtoehdon tähän. Kenties tutkijat kykenevät editoimaan joko kasvien tai bakteerien perimää niin, että biologinen typensidonta onnistuu myös viljakasveilla. Tämä voisi merkittävästi vähentää riippuvuutta “teollisista” lannoitteista. Valitettavasti tämä voi törmätä hyväksyttävyysongelmiin. Suuri osa “kestävistä” tuotteista on luotu ennen kaikkea vetoamaan kuluttajien mieltymyksiin niin, että tuote voidaan myydä korkeammalla hinnalla. Ei ole mitään syytä olettaa, että keskimääräisen kuluttajan preferenssit heijastelisivat sitä mikä on ympäristöongelmien minimoinnin kannalta viisainta. Lopputuloksena on esimerkiksi luomustandardit, joissa ei ainoastaan suhtauduta kielteisesti moniin olemassa oleviin työkaluihin vaan myös vaadittava teknologinen kehitys on de facto kielletty ja korvattu sanahelinällä. (Jos joku kehittää esimerkiksi typpeä sitovan vehnän ilman geenieditointia, voi osoittaa minun olleen väärässä.) Tarvitsemme elintarvikkeille ympäristömerkinnän mikä oikeasti keskittyy ympäristövaikutusten minimointiin ja eläinten hyvinvointiin.

 

Lisätty 10.6.2019:  Kirjoitus sai toisaalla osakseen kritiikkiä simplistisestä orgaanisen ja ei-orgaanisen typen esittämisestä samana. Lisäksi asetelma on liian mustavalkoinen. Tämä on totta.  Mikäli typpi siirretään maahan kuolleissa kasveissa tällä voi olla maanrakenteeseen, faunaan ja floraan myönteisiä vaikutuksia mitä nopeasti liukenevalla typpilannoitteella ei ole. Kirjoituksen pointti ei ole esittää, että biologinen typensidonta on paha asia tai, että kaikki lannoitus tulee tehdä teollisilla typpilannoitteilla. Pyrin lähinnä korostamaan sitä, että mikäli biologinen typensidonta tehdään tavalla mikä heikentää maankäytön tehokkuutta sen negatiivinen ilmastovaikutus on hyvin helposti paljon suurempi kuin teollisten typpilannoitteiden. Voi hyvin olla, että kombinaatio biologista typensidontaa täydennettynä teollisella lannoitteella on viisain vaihtoehto mikäli sillä saavutetaan korkea satotaso. Ainakin itse näen toistuvasti kannanottoja joissa esitetään, että pelkästään biologinen  typensidonta riittää ja teollisista typpilannoitteista tulisi luopua. Tämä ei pidä nykyisessä maailmassa paikkaansa. Lähinnä sitä yritän kirjoituksella tuoda esiin.