El precio de la abundancia: fijo en nitrógeno

May 05, 2023

urante el serpenteante río Mississippi en el sureste de Luisiana, el complejo Donaldsonville de 1,400 acres de CF Industries se eleva en un espectáculo de vapor punk. El gigante de las torres de enfriamiento, tanques, hornos, tuberías y chimeneas expulsa vapor y, a veces, las fugas de amoníaco pueden dar lugar a una orden de refugio en el lugar para la comunidad local.

Por la noche, el colosal complejo parece una pequeña ciudad. Una gran variedad de luces brillantes guía a los trabajadores en una colmena ocupada de fabricación de productos químicos. Casi 1000 trabajadores de la planta ayudan a producir casi 8 millones de toneladas de productos nitrogenados al año para la agricultura y otras industrias. El amoníaco, el nitrato de amonio, la urea y los fluidos de escape de diésel se envían desde el complejo a través de tuberías, ferrocarriles, camiones y barcazas fluviales y marítimas.

La operación Donaldsonville de CF es la planta de amoníaco más grande del mundo, según la compañía. El amoníaco, compuesto por tres átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno, es parte del proceso de síntesis del nitrógeno. Entre los nutrientes "Big 3" en los fertilizantes comerciales (nitrógeno, fósforo y potasio), el nitrógeno es crucial para construir las proteínas que a su vez forman los tejidos en la mayoría de los seres vivos.

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Uno de los elementos químicos más comunes, el nitrógeno constituye el 78% del aire. Las plantas, los animales y las personas no pueden vivir sin él. Pero tampoco pueden usarlo en su forma de gas. Necesita ser "arreglado". La solución ocurre lentamente en la naturaleza a medida que las plantas y los microorganismos convierten el nitrógeno atmosférico en amoníaco. Durante el siglo pasado, la solución también se sobrealimentó para fines industriales en el llamado proceso Haber-Bosch que combina nitrógeno del aire con hidrógeno bajo una presión extremadamente alta para crear amoníaco.

En 1918, el proceso le valió al químico alemán Fritz Haber un Premio Nobel de Química por sus "medios extremadamente importantes para mejorar los estándares de la agricultura y el bienestar de la humanidad". Un siglo después, los demógrafos estiman que solo la mitad de los 8 mil millones de personas que ahora viven en el planeta podrían alimentarse sin fertilizantes nitrogenados sintéticos.

Pero el mismo nutriente que alimenta a miles de millones de personas también puede matar, en armas químicas, en explosiones de fábricas o por sobredosis en el medio ambiente. Aplicado en exceso en las granjas, el exceso de nitrógeno se escurre hacia las vías fluviales donde alimenta las algas que proliferan, bloquean la luz y privan de oxígeno a otras plantas y animales.

"No hay duda de que los fertilizantes nitrogenados brindan un tremendo beneficio a la sociedad al impulsar la producción de alimentos para alimentar a miles de millones de personas en todo el mundo, incluso en países en desarrollo", informó el Proyecto de Integridad Ambiental esta primavera en un llamado a una mayor regulación de la industria debido a las amenazas a la seguridad pública y al medio ambiente. "Pero la aplicación excesiva de fertilizantes químicos también conlleva un costo para el medio ambiente, y ese daño aumenta cuando la fabricación de productos químicos está mal regulada".

A principios del siglo XX, los agricultores de Europa y los Estados Unidos dependían de importaciones como salitre de Chile y enormes montañas de guano de Perú como fuente de nitrógeno fijo. El descubrimiento de Haber de la producción de amoníaco sintético cambió el mundo, dijo el físico Benjamin Johnson del Instituto Max Planck para la Historia de la Ciencia en Berlín.

Se estaba produciendo una importante transición energética, en ese momento hacia los combustibles fósiles. La agricultura se estaba industrializando. La gente estaba entusiasmada con el invento de Haber, pero la parte difícil fue ampliarlo, dijo Johnson, autor del libro de 2022 Making Ammonia: Fritz Haber, Walther Nernst, and the Nature of Scientific Discovery.

El mismo año en que patentó su descubrimiento, en 1908, la empresa química BASF contrató a Haber para desarrollar una síntesis de amoníaco a alta presión a escala industrial. El ingeniero químico de BASF, Carl Bosch, fue asignado al proyecto. Tuvo que construir la planta y la mecánica que pudiera soportar temperaturas y presiones de gas intensas. Bosch "tuvo que idear algunas carcasas especiales para mantener esta mezcla de gas bajo presión y mantenerla sellada para que los hornos a presión no se rompieran", dijo Johnson.

Al principio, los tubos de Bosch reventarían, incluso si estaban hechos de acero al carbono. Bajo alta presión y por encima de los 400 ◦ C, la mayoría de los materiales que probó se desintegraron inevitablemente. Experimentó con diferentes tipos de acero y catalizadores y, finalmente, se decidió por el proceso industrial que todavía se usa en las industrias CF y otras plantas para producir amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Presentada en 1914, la máquina de Bosch medía 26 pies de alto y podía producir 198 libras de amoníaco por hora. Con una producción anual de 4,3 millones de toneladas, la planta de Donaldsonville de CF Industries ahora opera las 24 horas del día para producir 495 toneladas de amoníaco por hora.

En 1931, Bosch, como Haber antes que él, ganó el Premio Nobel de Química por su contribución a un mundo mejor.

El proceso Haber-Bosch revolucionó la agricultura, duplicando el número de personas que podía alimentar un acre de tierra.

Pero hacer compuestos de nitrógeno del aire para fertilizantes inició a Fritz Haber en un camino oscuro hacia la guerra química. A principios de la Primera Guerra Mundial, Alemania enfrentó una crisis de municiones. Haber, por entonces director del Instituto Kaiser Wilhelm de Química Física en Berlín, se dispuso a ayudar. Engatusó a líderes militares e industriales, científicos y políticos para que desarrollaran la producción de armas químicas a gran escala, según la historiadora alemana Margit Szöllösi-Janze.

Haber orquestó el primer uso de gas venenoso durante la guerra en el Frente Occidental en Ypres, Bélgica, en abril de 1915, trabajando con meteorólogos para captar los vientos predominantes. Dirigió al ejército alemán para plantar 6.000 cilindros de acero en trincheras. Cuando los soldados abrieron las válvulas, 160 toneladas de cloro gaseoso flotaron a favor del viento. La nueva arma mató a más de 1.000 soldados franceses y argelinos en cuestión de minutos e hirió a miles más.

Mucho más que esas bajas, Haber fue un catalizador para la nueva guerra química global que vio a otros países competir para desarrollar explosivos y armas químicas, según Szöllösi-Janze. Al final de la guerra, aproximadamente 1000 científicos habían trabajado en el programa de gases venenosos de Alemania.

Haber fue celebrado por su "éxito" en Ypres y promovido en una reunión en la mansión de su director en la noche del 1 de mayo de 1915. Esa misma noche, su esposa, la doctora en química Clara Immerwahr Haber, se suicidó pegándose un tiro con la pistola de su marido. pistola del ejército. Los historiadores no están de acuerdo sobre si su suicidio fue provocado por la consternación por la participación de su esposo en armas químicas masivas.

El legado de Haber es el de un "científico que ha sido elogiado como un benefactor de la humanidad y, al mismo tiempo, acusado de ser un criminal de guerra", escribió Szöllösi-Janze. "Su trabajo científico transformó tanto la producción de alimentos como la guerra".

Un siglo después de la invención de Haber-Bosch, alrededor de 30 plantas químicas en los Estados Unidos producen amoníaco para la industria de los fertilizantes. Ese número podría aumentar en otro tercio en los próximos años, según el Proyecto de Integridad Ambiental (EIP), basado en nueve propuestas para construir nuevas plantas de fertilizantes de amoníaco y otras tres expansiones de plantas.

En su informe The Fertilizer Boom, EIP argumenta que la expansión plantea riesgos para la seguridad pública y el medio ambiente. Durante el último siglo, 641 personas en los Estados Unidos y 1237 en todo el mundo han muerto en grandes explosiones de fertilizantes nitrogenados, según EIP. La organización sin fines de lucro está presionando para que la Agencia de Protección Ambiental agregue el nitrato de amonio a la lista de más de 140 químicos peligrosos que requieren que los fabricantes planifiquen para desastres y compartan información con los planificadores de emergencia locales.

La industria también plantea riesgos para el medio ambiente a través de la contaminación del agua y del aire y de importantes emisiones de gases de efecto invernadero. Los investigadores que publicaron en la revista Scientific Reports descubrieron que, a nivel mundial, la producción y el uso de nitrógeno sintético representan más del 2 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero, más que para la aviación comercial y de pasajeros en todo el mundo juntas.

El fertilizante nitrogenado también es una gran parte de la escorrentía de nutrientes implicada en los brotes de algas tóxicas en todo el país y en la "zona muerta" del Golfo de México. El nitrógeno también es liberado directamente por las plantas de fabricación de fertilizantes. Matt Rota, director sénior de políticas de Healthy Gulf, explicó: "si está haciendo fertilizante nitrogenado, también descargará algo de nitrógeno en el agua, que no se conserva en el proceso".

Healthy Gulf y Environmental Integrity Project se encuentran entre los 13 grupos ambientales que presentaron una demanda federal esta primavera contra la EPA por lo que describieron como regulaciones obsoletas sobre tecnología de control de la contaminación. Según Healthy Gulf, 21 plantas de fertilizantes nitrogenados de EE. UU. descargaron 7,7 millones de libras de nitrógeno en las vías fluviales en 2021.

En general, los agricultores estadounidenses aplican alrededor de 21 millones de toneladas métricas de fertilizantes al año, más de la mitad a base de nitrógeno. Aproximadamente la mitad de los nutrientes no son absorbidos por los cultivos, sino que se pierden en la escorrentía y terminan en arroyos, lagos y ríos. Rota dijo que el nitrógeno de los cultivos de maíz y soya en el Medio Oeste transportado por el río Mississippi hacia el Golfo es un problema particular para la zona muerta.

CF Industries no respondió preguntas relacionadas con esta historia. La compañía ha anunciado que está buscando dos nuevos tipos de proyectos de producción de amoníaco que permitirán a CF reducir las emisiones de carbono en un 25 % para 2030 y lograr emisiones netas de carbono cero para 2050.

Amoníaco verde significa amoníaco producido con energía renovable. CF está agregando un sistema de electrólisis en Donaldsonville que permitirá que la planta produzca 20 000 toneladas de amoníaco verde al año, solo el 0,25 % de su producción anual.

El amoníaco azul significa que el amoníaco se produce de forma convencional, pero el CO2 emitido en el proceso se captura y almacena. El otoño pasado, CF anunció planes para invertir casi $2 mil millones en un proyecto de captura de carbono en Donaldsonville que permitirá que la planta produzca 1,7 millones de toneladas de amoníaco azul al año.

El gobernador de Luisiana, John Bel Edwards, elogió la inversión para ayudar a convertir a Luisiana en un líder en la transición hacia la energía limpia. El presidente y director ejecutivo de CF Industries, Tony Will, dijo en un comunicado de prensa con Edwards que la compañía será la primera en el mercado con un volumen significativo de amoníaco azul. "Esto nos permitirá suministrar esta fuente de energía baja en carbono a industrias difíciles de reducir que la ven cada vez más como fundamental para sus propios objetivos de descarbonización", dijo Will.

Pero hay muchos críticos que dicen que la captura y el almacenamiento de carbono es una tecnología arriesgada, defectuosa y no probada. Proyectos como los de CF obtendrán grandes incentivos financieros bajo la Ley de Reducción de la Inflación del año pasado. "Parece más de lo mismo", dijo Monique Harden, directora de leyes y políticas y gerente del programa de participación comunitaria en el Deep South Center for Environmental Justice. El plan de CF capturaría las emisiones en la planta de Donaldsonville, las transportaría unas 100 millas y las almacenaría bajo tierra en propiedad de ExxonMobil.

Harden, quien ha trabajado durante 20 años como abogado ayudando a comunidades predominantemente afroamericanas a ganar victorias en la justicia ambiental, dijo que los proyectos de captura y almacenamiento de carbono podrían representar un peligro para los ciudadanos que ya enfrentan riesgos de salud y seguridad que viven cerca de plantas industriales, así como para aquellos en el camino de tuberías y cerca de instalaciones de almacenamiento subterráneo.

Rota dijo que es revelador que CF Industries esté invirtiendo mucho más en el amoníaco azul que todavía emite carbono. "Creo que eso te muestra dos cosas", dijo. "Son perfectamente capaces de hacer amoníaco verde, y Luisiana ha seguido siendo vista como un estado petroquímico y un estado en el que no importa".

Johnson, el autor de "Making Ammonia", dijo que "en la época de Haber, a ellos no les importaba el dióxido de carbono, pero a nosotros sí". Por lo tanto, es emocionante ver una nueva tecnología que utiliza la electrólisis para hacer que el amoníaco sea "verde".

“Nuestras elecciones como humanos sobre si queremos esa tecnología y si queremos financiarla se vuelven muy centrales para el proceso de implementación”, dijo Johnson.

La historia de Haber "ilustra cómo el progreso científico abarca generaciones y se adapta a nuevas circunstancias", escribió en Making Ammonia. "Podemos aprender de estos eventos y aplicar las lecciones".

Esta historia es parte de The Price of Plenty, un proyecto especial que investiga los fertilizantes de la Facultad de Periodismo y Comunicaciones de la Universidad de Florida y la Escuela de Periodismo de la Universidad de Missouri, respaldado por la iniciativa nacional de informes Connected Coastlines del Pulitzer Center.