CO2-Emissions as a Measure of Energy Efficiency in the Production and Application of Fertilizers

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Taking into account the huge amount of data accumulated in recent years on greenhouse gas emissions (primarily CO2, methane, or greenhouse gases (GHGs)), it is possible to consider the problem of energy efficiency (carbon dioxide emissions occur primarily during fuel combustion, as well as methane and CO2 as precursors for nitrogen fertilizers) in the chain from the production of fertilizers to their logistics, application, production and waste disposal. At the same time, GHGs emissions can be considered as a measure of energy efficiency in assessing the life cycle of mineral fertilizers. Relevant examples are provided in the review.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

V. Bashkin

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science of the RAS

Autor responsável pela correspondência
Email: vladimirbashkin@yandex.ru
Rússia, ul. Institutskaya 2, Moscow region, Pushchino 142290

Bibliografia

  1. Integrated Annual report of PJSC PhosAgro for 2021. 2022. 360 p. Available from: www.phosagro.ru
  2. Тихомиров А.В. Концепция развития систем энергообеспечения и повышения энергоэффективности использования ТЭР в сельском хозяйстве // Вестн. ВИЭСХ. 2016. № 1(22). С. 11–17.
  3. Колпаков А.Ю. Энергоэффективность: роль в сдерживании выбросов углекислого газа и определяющие факторы // Пробл. прогнозирования. 2020. № 6. С. 141–154. doi: 10.47711/0868-6351-183-141-153
  4. Ouyang X., Fang X., Cao Y., Sun C. Factors behind CO2 emission reduction in Chinese heavy industries: Do environmental regulations matter? // Energy Policy. October 2020. № 145. 111765. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2020.111765
  5. Снакин В.В. Динамика глобальных природных процессов и учение о биосфере В.И. Вернадского // Жизнь Земли. 2023. Т. 45. № 1. С. 27–38. doi: 10.29003/m3147.0514-7468.2023_45_1/27-38
  6. Гильманова Р.Б., Осинцев К.В. Разработка тригенерационного циклана химических предприятиях по производству азотных удобрений // Молодой исследователь: Мат-лы 2-й научн. выставки-конф. научн.-техн. и творч. работ студентов. Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2015. 515 с. ISBN 978-5-696-04703-4166-170
  7. Шатаева А.Л., Ташкинова И.Н. Оценка эмиссий парниковых газов производства аммиака и выявление направлений разработки и реализации климатических проектов // Химия. Экология. Урбанистика: мат-лы Всерос. научн.-практ. конф. (с международ. участием). В 4-х т. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. Т. 1. С. 146–150. URL: https://ceu.pstu.ru/wp-content/uploads/2022/06/Himiya.- Ekologiya.-Urbanistika.-Tom_1.pdf
  8. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям 2–2019 “Производство аммиака, минеральных удобрений и неорганических кислот”. 2019. URL: http://burondt.ru/index/its-ndt.html (дата обращения: 08.03.2022).
  9. Иовлев Г.А., Голдина И.И. Сельское хозяйство, транспорт и углеродные проблемы // Транспорт. Транспорт. средства. Экол. 2022. № 1. С. 25–35. doi: 10.15593/24111678/2022.01.04
  10. Meisterling K., Samaras C., Schweizer V. Decisions to reduce greenhouse gases from agriculture and product transport: LCA case study of organic and conventional wheat // J. Clean Prod. 2009. № 17. Р. 222–230. doi: 10.1016/j.jclepro.2008.04.009
  11. Тихомиров А.В., Маркелова Е.А., Уханова В.Ю. Топливно-энергетические ресурсы на основе энергосберегающих технологий и технических средств в сельском хозяйстве // Сел.-хоз. машины и технол. 2015. № 5. С. 43–48.
  12. Ахметшина Л.Г. Возможности российского сельского хозяйства в снижении выбросов парниковых газов и адаптации к климатическим изменениям // Вестн. Алтай. акад. эконом. и права. 2022. № 1(4). С. 5–14. URL: https://vaael.ru/ru/article/view?id=2129 (дата обращения: 13.12.2022).
  13. Семенова Е.И., Семенов Ф.В. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности // Эконом., труд, управл-е в сел. хоз-ве. 2020. № 3(60). С. 86–91. DOI: 10/33938/203-85
  14. Демина О.Н., Еремин Д.И. Влияние минеральных удобрений на микрофлору пахотного чернозема лесостепной зоны Зауралья // Вестн. КрасГАУ. 2020. № 2(155). С. 63–71. doi: 10.36718/1819-4036-2020-2-63-71
  15. Еремин Д.И., Ахтямова А.А. Минерализация гумуса в пахотном черноземе при использовании минеральных удобрений // Земледелие. 2018. № 7. С. 16–18. doi: 10.24411/0044-3913-2018-10704
  16. Еремин Д.И., Груздева Н.А., Еремина Д.В. Изменение гумусового состояния серых лесных почв восточной окраины Зауральского плато под действием длительной распашки // Почвоведение. 2018. № 7. С. 826–835. doi: 10.1134/S0032180X18070110
  17. Рзаева В.В., Еремин Д.И. Влияние основной обработки почвы на содержание гумуса в черноземе выщелоченном // АгроФорум. 2021. № 6. С. 38–40.
  18. Еремин Д.И., Фисунов Н.В. Гумусовое состояние чернозема при использовании систем основной обработки почвы // Эпоха науки. 2020. № 24. С. 37–45. doi: 10.24411/2409-3203-2020-12408
  19. Sakata R., Shimada S., Arai H., Yoshioka N., Yoshioka R., Aoki H., Kimoto N., Sakamoto A., Melling L., Inubushi K. Effect of soil types and nitrogen fertilizer on nitrous oxide and carbon dioxide emissions in oil palm plantations // Soil Sci. Plant Nutr. 2014. P. 1–13. http://dx.doi.org/10.1080/00380768.2014.960355
  20. Минакова О.А., Косякин П.А. Баланс CO2 при возделывании сахарной свеклы в Российской Федерации (обзор) // Сахар. 2022. № 3. С. 32–37. https://doi.org/10.24412/2413-5518-2022-3-32-37
  21. Guo Y., Ma Z., Ren B., Zhao B., Liu P., Zhang J. Effects of humic acid added to controlled-release fertilizer on summer maize yield, nitrogen use efficiency and greenhouse gas emission // Agriculture. 2022. № 12. P. 448. https://doi.org/10.3390/agriculture12040448
  22. Chai R., Ye X., Ma C., Wang Q., Tu R., Zhang L., Gao H. Greenhouse gas emissions from synthetic nitrogen manufacture and fertilization for main upland crops in China // Carbon Balance Manag. 2019. V. 14. 20. https:doi.org/10.1186/s13021-019-0133-9
  23. Wu K.K., Gong P., Zhang L.L., Wu Z.J., Xie X.S., Yang H.Z., Li W.T., Song Y.C., Li D.P. Yield-scaled N2O and CH4 emissions as affected by combined application of stabilized nitrogen fertilizer and pig manure in rice fields // Plant Soil Environ. 2019. № 65. P. 497–502.
  24. Рижия Е.Ю., Бучкина Н.П., Мухина И.М., Балашов Е.В. Долгосрочный мониторинг прямой эмиссии закиси азота из суглинисто-песчаных дерново-подзолистых почв // Мат-лы II Международ. научн. конф. “Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего”, посвящ. памяти акад. Е.И. Ермакова. СПб., 02–04 октября 2019 г. СПб.: АФИ, 2019. С. 117–122.
  25. Macura B., Johannesdottir S.L., Piniewski M., Haddaway N.R., Kvarnstrom E. Effectiveness of ecotechnologies for recovery of nitrogen and phosphorus from anaerobic digestate and effectiveness of the recovery products as fertilisers: a systematic review protocol // Environ. Evid. 2019. V. 8. P. 29. https://doi.org/10.1186/s13750-019-0173-3
  26. Yu B., Liu X., Ji C., Sun H. Greenhouse gas mitigation strategies and decision support for the utilization of agricultural waste systems: A case study of Jiangxi Province, China // Energy. 2023. V. 265. № C. doi: 10.1016/j.energy.2022.126380
  27. Wang L., Qin T., Zhao J., Zhang Y., Wu Z., Cui X., Zhou G., Li C., Guo L., Jiang G. Exploring the nitrogen reservoir of biodegradable household garbage and its potential in replacing synthetic nitrogen fertilizers in China // Peer J. 2022. V. 10. e12621. doi: 10.7717/peerj.12621
  28. Briukhanov A., Luostarinen S., Trifanov A., Shalavina E., Kozlova N., Vasilev E., Subbotin I. Revision of the total nitrogen and phosphorus content in a cattle manure-based organic fertilizer in North-West Russia // Agricult. Food Sci. 2021. V. 30. P. 44–52. https://doi.org/10.23986/afsci.99191
  29. Колосова Н., Монах С. Оценка выбросов парниковых газов при хранении отходов животноводческих ферм // Инж. cист. и техноген. безопасность. 2015. Вып. 5(115). С. 49–52.
  30. López-Cano I., Luz Cayuela M., Sánchez-García M., Sánchez-Monedero M.A. Suitability of different agricultural and urban organic wastes as feedstocks for the production of biochar. Part 2: Agronomical evaluation as soil amendment // Sustainability. 2018. № 10. P. 2077. doi: 10.3390/su10062077
  31. Diacono M., Persiani A., Testani E., Montemurro F., Ciaccia C. Recycling agricultural wastes and by-products in organic farming: biofertilizer production, yield performance and carbon footprint analysis // Sustainability. 2019. № 11. P. 3824. doi: 10.3390/su11143824
  32. Ozalp A., Yilmaz S., Ertekin C., Yilmaz I. Energy analysis and emissions of greenhouse gases of pomegranate production in Antalya province of Turkey // Erwerbs-Obstbau. 2018. V. 60. P. 321–329.
  33. Dyer J.A., Desjardins R.L. Simulated farm fieldwork, energy consumption and related greenhouse gas emissions in Canada // Biosyst. Eng. 2003. V. 85. P. 503–513.
  34. Khoshnevisan B., Rafiee S., Omid M., Yousefi M., Movahedi M. Modeling of energy consumption and GHG (greenhouse gas) emissions in wheat production in Esfahan province of Iran using artificial neural networks // Energy. 2013. V. 52. P. 333–338.
  35. Cadena E., Colón J., Artola A., Sánchez A., Font X. Environmental impact of two aerobic composting technologies using life cycle assessment // Inter. J. Life Cycle Assess. 2009. V. 14. P. 401–410.
  36. Fiore A., Lardo E., Montanaro G., Laterza D., Loiudice C., Berloco T., Dichio B., Xiloyannis C. Mitigation of global warming impact of fresh fruit production through climate smart management // J. Clean Prod. 2018. V. 172. P. 3634–3643.
  37. Pergola M., Persiani A., Palese A.M., Di Meo V., Pastore V., D’Adamo C., Celano C. Composting: The way for a sustainable agriculture // Appl. Soil Ecol. 2018. V. 123. P. 744–750.
  38. Møller J., Boldrin A., Christensen T.H. Anaerobic digestion and digestate use: Accounting of greenhouse gases and global warming contribution // Waste Manag. Res. 2009. V. 27. P. 813–824.
  39. Smith A., Brown K., Bates J., Ogilvie S., Rushton K. Waste Management options and climate change. Final report to the European commission, DG Environment. Abingdon, UK: AEA Technology, 2001. P. 224.
  40. Lal R. Carbon emission from farm operations // Environ. Int. 2004. V. 30. P. 981–990.
  41. Graefe S., Tapasco J., Gonzalez A. Resource use and greenhouse gas emissions of eight tropical fruits species cultivated in Colombia // Fruits. 2013. V. 68. P. 303–314.
  42. Martinez-Mate M.A., Martin-Gorriz B., Martínez-Alvarez V., Soto-García M., Maestre- Valero J.F. Hydroponic system and desalinated seawater as an alternative farm productive proposal in water scarcity areas: Energy and greenhouse gas emissions analysis of lettuce production in southeast Spain // J. Clean Prod. 2018. V. 172. P. 1298–1310.
  43. Матасов А.В., Макарова А.С., Авдеенкова Т.С. Количественная оценка выбросов парниковых газов технологий переработки отходов сельского хозяйства // Вестн. МАСИ. Информатика, экология, экономика. 2019. Т. 21. С. 21–25. URL: https://cat.gpntb.ru/?id=EC/ShowFull&irbDb=ESVODT&bid=db97600f33fa0376581c4b176dc37b42
  44. Мировые тенденции в потреблении энергии. URL: http://www.econews.uz (дата обращения: 10.05.2019).
  45. Najser T., Gaze B., Knutel B., Verner A., Najser J., Mikeska M., Chojnacki J., Nemcek O. Analysis of the effect of catalytic additives in the agricultural waste combustion // Proc. Materials. 2022. V. 15. P. 3526. https://doi.org/10.3390/ma15103526
  46. Su K., Qin Q., Yang J., Li L., Deng S. Recent advance on torrefaction valorization and application of biochar from agricultural waste for soil remediation // J. Renew. Mater. (JRM). 2022. V. 10. № 2. doi: 10.32604/jrm.2022.018146
  47. Li L., Ma X., Xu Q., Hu Z. Influence of microwave power, metal oxides and metal salts on the pyrolysis of algae // Biores. Technol. 2013. V. 142(2). P. 469–474. doi: 10.1016/j.biortech.2013.05.080
  48. Beneroso D., Bermúdez J.M., Arenillas A., Menéndez J.A. Microwave pyrolysis of microalgae for high syngas production // Biores. Technol. 2013. V. 144. P. 240– 246. doi: 10.1016/j.biortech.2013.06.102
  49. Hu Z., Ma X., Chen C. A study on experimental characteristic of microwave-assisted pyrolysis of microalgae // Biores. Technol. 2013. V. 107. P. 487–493. doi: 10.1016/j.biortech.2011.12.095
  50. Zhou J., Liu S., Zhou N., Fan L., Zhang Y. Development and application of a continuous fast microwave pyrolysis system for sewage sludge utilization // Biores. Technol. 2018. V. 256(1). P. 295–301. doi: 10.1016/j.biortech.2018.02.034
  51. Кудеяров В.Н. Агрогеохимические циклы углерода и азота в современном земледелии России // Агрохимия. 2019. № 12. С. 3–15. doi: 10.1134/S000218811912007X
  52. Bashkin V., Alekseev A., Levin B., Mescherova E. Biogeochemical technologies for managing CO2 flows in agroecosystems // Adv. Environ. Eng. Res. 2023. V. 4(1). 012. doi: 10.21926/aeer.2301012
  53. Northrup D.L., Bassob B., Wang M.Q., Morgan C.L.S., Benfey P.N. Novel technologies for emission reduction complement conservation agriculture to achieve negative emissions from row-crop production // PNAS. 2021. V. 118. № 28. e2022666118. https://doi.org/10.1073/pnas.2022666118
  54. Udvardi M., Below F.E., Castellano M.J., Eagle A.J., Giller K.E., Ladha J.K., Liu X., Maaz T.M., Nova-Franco B., Raghuram N., Robertson G.P., Roy S., Saha M., Schmidt S., Tegeder M., York L.M. and Peters J.W. A Research road map for responsible use of agricultural nitrogen // Front. Sustain. Food Syst. 2021. V. 5. 660155. doi: 10.3389/fsufs.2021.660155
  55. Bashkin V.N. Increasing the efficiency of nitrogen use: Assessing the nitrogen-mineralizing capability of soils // Rus. Agricult. Sci. 2022. V. 48. № 4. P. 283– 289. doi: 10.3103/S1068367422040012
  56. Башкин В.Н., Арабский А.К. Роль природного газа в обеспечении глобальной продовольственной безопасности // Газ. Бизнес. 2022. № 2. С. 11–17.
  57. Bashkin V.N., Alekseev A.O. Global food security and fundamental role of fertilizer. P. 1. Global food security and fertilizer production // Iss. Risk Anal. 2022. V. 19(3). P. 60–73. https://doi.org/10.32686/1812-5220-2022-19-3-60-73
  58. Bashkin V.N., Alekseev A.O. Global food security and fundamental role of fertilizer. P. 2. Fundamental role of fertilizer in food production // Iss. Risk Anal. 2022. V. 19(4). P. 10–29. https://doi.org/10.32686/1812-5220-2022-19-4-10-29
  59. Лапа В.В. Система управления плодородием почв в республике Беларусь // Мат-лы II Международ. научн. конф. “Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего”, посвящ. памяти акад. Е.И. Ермакова. Санкт-Петербург, 02–04 октября 2019 г. СПб.: АФИ, 2019. С. 37–44.
  60. Zhang W.F., Dou Z.X., He P., Ju X.T., Powlson D., Chadwick D., Norse D., Lu Y.L., Zhang Y., Wu L., Chen X.P., Cassman K.G., Zhang F.S. New technologies reduce greenhouse gas emissions from nitrogenous fertilizer in China // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. P. 8375–80.
  61. Самсонов Р.O., Башкин В.Н., Aкопова Г.С. Оценка рынка парниковых газов. M.: ИРЦ-Газпром, 2007. 80 с.
  62. Samsonov R.O., Kazak A.S., Bashkin V.N. Master plan methodology for gas industry development. Moscow: Sci. World Publ. House, 2007. 304 p.
  63. Markelov V.A., Andreev O.P., Kobylkin D.N., Arabsky A.K., Arno O.B., Tsybulsky P.G., Bashkin V.N., Kazak A.S., Galiulin R.V. Gas industry sustainable development. Moscow: Nedra, 2013. 211 p.
  64. Булаткин Г.А. Экологические и энергетические основы воспроизводства почвенного плодородия и увеличение продуктивности агроэкосистем: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 2007. 48 с.
  65. Bashkin V.N., Alekseev A.O. Life cycle analyses of fertilizers: carbon emissions as a measure of energy efficiency // Iss. Risk Anal. 2023. V. 20(3). P. 28–49. https://doi.org/10.32686/1812-5220-2023-20-3-28-49

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Schematic diagram of a torrefaction system using a microwave oven [50].

Baixar (155KB)
Metadados
3. Fig. 2. Technical improvements contribute to a strong reduction in GHG emissions from grain production. The numbers are kg CO2–eq/ha and are separated by the emission source. The stages (optimization, substitution and reorganization) differ in the technical readiness of stimulating innovations. The implementation of the optimization stage is largely possible using existing technologies, while replacement stage technologies may be available in 2-5 years, and reorganization stage technologies in 5-15 years.

Baixar (155KB)
Metadados
4. Figure 3. Life cycle assessment of greenhouse gas emissions from the production and use of nitrogen and phosphorus fertilizers and weighted emission factors for the main processes. Atmospheric nitrogen (N2) combines with hydrogen using energy derived from fossil fuels. The resulting NH3 reacts with CO2, nitric, hydrochloric or phosphoric acid to produce various fertilizers. These fertilizers are transported in various ways before being applied to arable land. The solid line is the consumption of materials and N–fertilizers, the dotted line is the exchange of GHG between the chain of production and use of fertilizers, including processing of agricultural waste, and the atmosphere.

Baixar (259KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © The Russian Academy of Sciences, 2024