Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Giới thiệu

Phân bón là một trong những trụ cột của nông nghiệp hiện đại. Mặc dù phân bón tổng hợp đã mang lại năng suất vượt trội, chúng cũng gây ra những tác động đáng kể đến khí hậu. 84% lượng phát thải trong quá trình sản xuất đến từ việc tổng hợp amoniac, vốn thường sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu.

Báo cáo này mô tả sự phát triển của ngành công nghiệp phân bón hiện đại và trình bày thực trạng thị trường phân bón tại Hoa Kỳ. Hiện nay, Hoa Kỳ tiêu thụ 11% lượng nitơ tổng hợp của thế giới. Công nghệ sản xuất Haber-Bosch truyền thống, chạy bằng khí tự nhiên, vẫn là lộ trình chính để tổng hợp amoniac — một loại phân bón được sử dụng rộng rãi và là nguyên liệu đầu vào cho tất cả các loại phân đạm tổng hợp. Tuy nhiên, một số giải pháp thay thế với dấu chân carbon thấp hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn đang dần xuất hiện. Báo cáo này cung cấp cái nhìn tổng quan về những cơ hội đó.

Hơn nữa, báo cáo cũng cung cấp thông tin về các loại phân đạm phổ biến nhất có nguồn gốc từ amoniac, nêu bật những lợi ích chính và nhược điểm tiềm ẩn của chúng. Phù hợp cho các trường hợp ứng dụng khác nhau, những loại phân bón này cho phép đạt hiệu quả sử dụng cao hơn và giảm phát thải. Theo cách này, amoniac xanh mở ra một loạt các lựa chọn phân đạm carbon thấp.

Thông qua thảo luận với các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM), các định chế tài chính và các nhà phát triển dự án, chúng tôi đã xác định được các rào cản chính đối với việc phát triển các dự án amoniac xanh và việc áp dụng các công nghệ mới. Báo cáo kết thúc bằng phần tóm tắt các chính sách ưu đãi của nhà nước nhằm hỗ trợ sự tiến bộ của thị trường phân bón.

Vai trò của phân bón trong nông nghiệp

Phân bón là yếu tố cốt lõi của nông nghiệp hiện đại, giúp đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng cho một nửa dân số thế giới. Nitơ (N), Phốt pho (P) và Kali (K) là những chất dinh dưỡng chính cần thiết cho sự phát triển tối ưu của cây trồng, và do đó ba nguyên tố này được sản xuất thành phân bón. Việc bón phân đầy đủ không chỉ cho phép đạt năng suất cao hơn mà còn giảm mức tiêu thụ nước và diện tích đất canh tác.

Ứng dụng phân bón và phát thải

Mặc dù tầm quan trọng của phân bón là không thể bàn cãi, ngành sản xuất phân bón là một trong những lĩnh vực phát thải cao nhất trong nền kinh tế toàn cầu. Phân bón chịu trách nhiệm cho 1,31 tỷ tấn phát thải CO2e hàng năm, con số này lớn hơn tổng dấu chân carbon của ngành hàng không và vận tải biển cộng lại. Trong tổng số ước tính này, 483 triệu tấn (Mt) được tạo ra trong quá trình sản xuất và 829 Mt trong quá trình bón phân, trong đó 627 Mt đến từ phát thải N2O trực tiếp và gián tiếp, và 202 Mt đến từ phát thải CO2. Điều này phù hợp với phân tích của Hiệp hội Phân bón Quốc tế (IFA), theo đó khoảng 20%–50% lượng phát thải phát sinh từ quá trình sản xuất, trong khi 50%–80% được tạo ra trong giai đoạn bón phân.

Lượng phát thải trong quá trình bón phân vừa khó đo lường vừa phụ thuộc vào một số yếu tố bên ngoài mà nông dân không thể kiểm soát, chẳng hạn như điều kiện thời tiết và tính chất của đất. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là những phát thải này không thể giảm thiểu. Theo phân tích của IFA, có thể giảm đáng kể lượng phát thải từ việc sử dụng phân bón thông qua cải thiện quản lý sử dụng nitơ, tối ưu hóa đầu vào nông nghiệp, mở rộng việc áp dụng các chất ức chế quá trình nitrat hóa và chất ức chế urease, thay đổi luân canh cây trồng và các phương pháp tiết kiệm đất. Các biện pháp được xem xét phụ thuộc lớn vào điều kiện địa phương và sẽ có hiệu quả khác nhau trong các môi trường khác nhau. Ngoài ra, vì nông dân hoạt động như một phần của ngành công nghiệp thực phẩm lớn, họ có đòn bẩy hạn chế để thay đổi các phương thức canh tác đã thiết lập, vì vậy các can thiệp sâu đòi hỏi một cách tiếp cận phức tạp và sự tham gia rộng rãi hơn trong toàn bộ chuỗi giá trị.

Sự phát triển của phân bón NPK

Mặc dù nitơ, phốt pho và kali được gọi chung là NPK, mỗi chất dinh dưỡng đa lượng đều có vai trò riêng biệt. Công nghiệp sản xuất potash (tên thương mại của các khoáng vật chứa kali) và phosphate (dạng muối của phốt pho) đã bắt đầu từ giữa thế kỷ 19, nhưng vai trò của nitơ khi đó vẫn chưa rõ ràng, do đó các loại phân đạm đầu tiên xuất hiện muộn hơn nhiều.

Sản xuất công nghiệp phân lân bắt đầu vào năm 1840. Các phương pháp hóa học mới xử lý quặng phốt phát cho phép sản xuất superphosphate công nghiệp và dẫn đến việc xây dựng hàng chục nhà máy phân bón trên toàn cầu vào cuối thế kỷ này. Sản xuất kali bị hạn chế bởi nguồn nguyên liệu, cho đến khi các mỏ muối được phát hiện ở Đức vào năm 1860 trở thành nguồn kali quy mô lớn đầu tiên trên thế giới. Đức trở thành nước dẫn đầu toàn cầu về sản xuất kali cho đến thế kỷ 20 khi các mỏ kali đáng kể được tìm thấy ở các khu vực khác.

Các yếu tố của chu trình nitơ được phát hiện qua từng giai đoạn trong thế kỷ 19. Khi khả năng cung cấp nitơ trong đất và cơ chế hấp thụ của nó được công nhận, nhu cầu về phân đạm bắt đầu tăng vọt. Ba phương pháp sản xuất phân đạm quy mô công nghiệp đã được phát triển vào đầu những năm 1900 – sản xuất canxi nitrat thông qua quy trình hồ quang điện, sản xuất canxi cyanamide sử dụng lò điện, và tổng hợp amoniac bằng quy trình Haber-Bosch, phương pháp cuối cùng này đã trở thành lộ trình sản xuất chính. Ngày nay, lượng nitơ được tiêu thụ tại Hoa Kỳ nhiều hơn cả kali và phốt pho cộng lại, chiếm ưu thế trên thị trường phân bón.

Thị trường phân bón Hoa Kỳ — Những ngày đầu

Ngành công nghiệp phân bón phát triển cùng với nông nghiệp. Đầu thế kỷ 20, nông nghiệp quảng canh vẫn là phương thức khả thi đối với nông dân Mỹ, nơi nguồn lực hạn chế (lao động, máy móc, phân bón) được bù đắp bằng việc mở rộng đất canh tác. Tuy nhiên, khi độ phì nhiêu của đất giảm dần, nông dân phải chuyển sang vùng đất mới, khiến đất canh tác trở thành nguồn lực khan hiếm. Nông nghiệp thâm canh sau đó trở thành lựa chọn khả thi duy nhất, nơi năng suất cao hơn đạt được thông qua tăng đầu vào và phân bón bắt đầu đóng vai trò quan trọng.

Khi ngành phân bón mở rộng quy mô, cục diện thị trường bắt đầu thay đổi đối với các đơn vị nhỏ. Sự tập trung hóa thị trường bắt đầu, và các cơ sở trộn phân bón quy mô nhỏ tại địa phương không thể cạnh tranh với các nhà sản xuất số lượng lớn quy mô lớn. Công nghệ sản xuất phân bón tiếp tục phát triển, các cơ sở sản xuất mở rộng quy mô và trở nên hiệu quả hơn về năng lượng, góp phần làm giảm giá phân bón. Theo thời gian, phân bón hỗn hợp chứa cả ba chất dinh dưỡng đa lượng (NPK) trở nên phổ biến.

Một loạt các đổi mới về cơ giới hóa và cơ sở hạ tầng cũng được giới thiệu, tạo điều kiện cho canh tác hiệu quả. Đồng thời, các giống cây ngũ cốc mới được phát triển từ những năm 1930, mang lại phản ứng tốt hơn với phân bón, khả năng chịu hạn cao hơn và thời gian chín ngắn hơn. Nhờ những yếu tố này và nguồn kinh phí lớn cho nghiên cứu và phát triển nông nghiệp, năng suất nông nghiệp tại Hoa Kỳ bắt đầu tăng vọt từ những năm 1930. Đến năm 2007, năng suất đất đã tăng 300%.

Thị trường phân bón Hoa Kỳ — Hiện nay

Amoniac chứa 82% nitơ theo trọng lượng, và vì rất giàu nitơ, nó được sử dụng làm khối xây dựng (building block) cơ bản cho gần như tất cả các loại phân đạm tổng hợp. Vì lý do kinh tế, các nhà máy amoniac thường được xây dựng gần các cơ sở phân bón khác sản xuất urea, urea ammonium nitrate (UAN), hoặc ammonium nitrate. Vì sản xuất amoniac cần khí tự nhiên làm nguyên liệu chính, các cơ sở phân bón cũng cần kết nối với hạ tầng khí đốt. Do những hạn chế này, 60% sản lượng amoniac tại Hoa Kỳ tập trung ở Texas, Oklahoma và Louisiana. Hơn nữa, thị trường amoniac Hoa Kỳ có mức độ tập trung cao, khi bốn nhà sản xuất lớn nhất chiếm 71% năng lực sản xuất quốc gia.

Khoảng 90% lượng nitơ tiêu thụ từ phân bón có nguồn gốc từ amoniac khan (anhydrous ammonia), urea và urea ammonium nitrate, vốn có thị phần gần như ngang nhau. Điều quan trọng cần lưu ý là Hoa Kỳ vẫn là thị trường hàng đầu cho việc bón trực tiếp amoniac, trong khi ở các khu vực khác, amoniac chủ yếu được dùng để sản xuất các loại phân bón khác. Đồng thời, tiêu thụ urea và UAN tại Hoa Kỳ có xu hướng tăng, trong khi việc bón amoniac đang giảm nhẹ.

Các lộ trình công nghệ Amoniac

Do vai trò quan trọng trong nông nghiệp, sản xuất amoniac quy mô lớn là thiết yếu để đáp ứng nhu cầu thực phẩm toàn cầu. Amoniac được sản xuất tổng hợp thông qua các quy trình công nghiệp chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành dạng có thể sử dụng được.

Quy trình Haber-Bosch (HB) là phương pháp chuyển đổi hydro và nitơ thành amoniac (NH₃) thông qua việc sử dụng lò phản ứng áp suất cao, nhiệt độ cao và chất xúc tác hóa học. Được sử dụng từ đầu những năm 1900, HB là một công nghệ đã chín muồi. Tuy nhiên, trong khi nitơ được lấy từ không khí, hydro truyền thống được lấy từ khí tự nhiên (metan, CH4) thông qua quy trình Cải biến hơi nước - metan (Steam-Methane Reforming - SMR), quy trình này giải phóng một lượng lớn CO₂ và chiếm hơn 1% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu.

Những thách thức kép về quy trình sản xuất amoniac thâm dụng carbon và sự biến động giá khí tự nhiên đã thúc đẩy nhu cầu về các lộ trình thay thế carbon thấp.

Các công nghệ sản xuất amoniac thường chia thành hai loại: những loại sử dụng quy trình HB được cải tiến và những loại công nghệ hoàn toàn mới. Bằng cách thu giữ lượng carbon phát thải hoặc lấy hydro từ các nguồn nguyên liệu khác như nước (H2O), quy trình sản xuất amoniac có thể giảm đáng kể cường độ carbon.

Chú thích:

• SMR (Steam Methane Reforming): Cải biến hơi nước - metan.

• CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage): Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon.

Các lộ trình sản xuất amoniac carbon thấp đầy hứa hẹn

1. Haber-Bosch truyền thống kết hợp CCS, còn gọi là Amoniac lam

Sản xuất amoniac lam thực hiện thu giữ và lưu trữ (hoặc sử dụng) lượng phát thải CO₂ phát sinh từ quá trình sản xuất hydro dựa trên khí tự nhiên. Phương pháp này kết hợp quy trình SMR truyền thống với công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS), sau đó sử dụng quy trình Haber-Bosch để kết hợp "hydro lam" và nitơ nhằm tạo ra amoniac. Amoniac lam có thể giảm đáng kể lượng phát thải tùy thuộc vào hiệu suất thu giữ.

• Nguyên liệu Hydro: Khí tự nhiên/metan (CH4)
• Công nghệ then chốt: Cải biến hơi nước - metan (SMR) hoặc cải biến nhiệt tự động (ATR) để sản xuất hydro từ khí tự nhiên, kết hợp với CCS
• Ưu điểm: Tận dụng cơ sở hạ tầng đã thiết lập; CCS giúp giảm phát thải CO₂
• Thách thức: Chi phí và yêu cầu năng lượng cho CCS cao; lo ngại về rò rỉ CO₂ theo thời gian; yêu cầu khả năng tiếp cận các địa điểm địa chất để chôn lấp CO₂
• Khả năng thương mại hóa: Các nhà máy SMR+CCS quy mô thương mại đã được chứng minh trên khắp thế giới; hơn 20 cơ sở amoniac tích hợp CCS đang trong quá trình phát triển

2. Khí hóa sinh khối kết hợp CCS

Hydro carbon thấp có thể được sản xuất từ sinh khối thông qua quá trình nhiệt hóa khí hóa, trong đó nhiệt, áp suất và hơi nước được sử dụng để chuyển đổi vật liệu trực tiếp thành khí mà không cần đốt cháy. Sau đó, các thiết bị hấp phụ hoặc màng đặc biệt có thể tách hydro khỏi dòng khí này. Đi kèm với công nghệ thu giữ carbon, amoniac dựa trên sinh khối được coi là một trong những phương pháp sản xuất phân bón bền vững nhất vì nó có thể tận dụng cả chất thải nông nghiệp và đô thị. Tuy nhiên, mặc dù lộ trình sản xuất này khả thi về mặt công nghệ, các rào cản mạnh mẽ đang ngăn cản sự phát triển của amoniac sinh khối.

• Nguyên liệu Hydro: Sinh khối

• Công nghệ then chốt: Khí hóa

• Ưu điểm: Sinh khối là nguồn tài nguyên dồi dào; CCS giúp giảm phát thải CO₂

• Thách thức: Chi phí vốn cao; sự biến động lớn của nguồn nguyên liệu sinh khối; hạn chế nguồn sinh khối bền vững; chi phí vận chuyển sinh khối cao; lo ngại về rò rỉ đối với CCS; yêu cầu khả năng tiếp cận các địa điểm địa chất để chôn lấp CO₂

• Khả năng thương mại hóa: Khí hóa sinh khối là một công nghệ đã chín muồi, tuy nhiên, tính khả thi của nó trong việc sản xuất hydro và amoniac có giá thành cạnh tranh sẽ phụ thuộc vào việc giảm chi phí nguyên liệu và các kinh nghiệm thu được từ các mô hình trình diễn thương mại. Hiện chưa có dự án sản xuất amoniac từ sinh khối nào đang trong quá trình phát triển.

3. Sản xuất amoniac dựa trên điện phân, còn gọi là Amoniac Xanh

Amoniac xanh được sản xuất bằng cách sử dụng điện tái tạo (ví dụ: từ gió hoặc mặt trời) để điện phân nước, tạo ra hydro từ nước trong một quy trình không phát thải carbon, sau đó kết hợp với nitơ để tổng hợp amoniac. Amoniac xanh được xem là lựa chọn bền vững nhất, đạt mức phát thải gần bằng không trong quá trình sản xuất.

• Nguyên liệu Hydro: Nước (H₂O)

• Công nghệ then chốt: Điện phân (điện phân kiềm, PEM, hoặc oxit rắn), tổng hợp Haber-Bosch chạy bằng năng lượng tái tạo

• Ưu điểm: Không phát thải CO₂; sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo dồi dào; không phụ thuộc vào giá khí tự nhiên và các rủi ro chuỗi cung ứng; phù hợp cho sản xuất phân bón amoniac quy mô nhỏ/tại chỗ

• Thách thức: Chi phí hydro tái tạo cao; yêu cầu thiết kế hệ thống linh hoạt cho nguồn cung năng lượng tái tạo không liên tục có thể ảnh hưởng đến khả năng mở rộng và chi phí

• Khả năng thương mại hóa: Công nghệ điện phân đã được phát triển tốt và được chứng minh trong môi trường thương mại; một cơ sở amoniac dựa trên điện phân hoàn toàn tái tạo đã được triển khai tại Hoa Kỳ.

4. Amoniac điện hóa

Amoniac điện hóa là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho quy trình Haber-Bosch, có thể hoạt động trong môi trường áp suất thấp. Bằng cách chạy dòng điện qua một tế bào điện hóa chứa nguồn hydro và nitơ, một phản ứng khử nitơ (NRR) một bước có thể xảy ra.

• Nguyên liệu Hydro: Nước (H₂O)

• Công nghệ then chốt: Tế bào điện hóa

• Ưu điểm: Không phát thải CO₂; tổng hợp amoniac ở áp suất thấp; sự đơn giản của quy trình một bước; phù hợp cho sản xuất phân bón amoniac quy mô nhỏ/tại chỗ

• Thách thức: Kết quả hiệu suất tổng hợp amoniac thấp ở cấp độ nghiên cứu; yêu cầu năng lượng cao; tối ưu hóa chất xúc tác trong lò phản ứng

• Khả năng thương mại hóa: Giai đoạn tạo mẫu quy mô phòng thí nghiệm

5. Amoniac xúc tác Plasma

Các phương pháp dựa trên plasma để sản xuất phân đạm đã được phát triển vào đầu thế kỷ 20 trước khi quy trình Haber-Bosch được phát minh, với công nghệ plasma nhiệt được giới thiệu lần đầu vào năm 1903. Tuy nhiên, quy trình nhiệt độ cao đã sớm được thay thế bởi quy trình Haber-Bosch hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn. Gần đây hơn, amoniac plasma phi nhiệt (NTP) đã nổi lên như một đối thủ tiềm năng cho các hệ thống điện phân quy mô nhỏ, vì nó có thể được sử dụng để sản xuất phân bón amoniac ngay tại trang trại. Các lò phản ứng plasma nhiệt độ thấp và áp suất thấp có thể tạo ra các loại phân đạm như axit nitric và amoniac, và phương pháp này không yêu cầu quy trình Haber-Bosch.

• Nguyên liệu Hydro: Nước (H₂O)
• Công nghệ then chốt: Lò phản ứng NTP
• Ưu điểm: Không phát thải CO₂; tổng hợp amoniac ở áp suất thấp, nhiệt độ thấp; phù hợp cho sản xuất phân bón amoniac quy mô nhỏ/tại chỗ
• Thách thức: Hiệu suất năng lượng thấp; tối ưu hóa chất xúc tác trong lò phản ứng
• Khả năng thương mại hóa: Đang chuyển từ giai đoạn quy mô phòng thí nghiệm sang giai đoạn dự án thí điểm

6. Amoniac quang hóa

Sản xuất amoniac quang hóa sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi nitơ (N₂) từ không khí thành amoniac (NH₃), mà không phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc áp suất cao như quy trình Haber-Bosch truyền thống. Quy trình này sử dụng các vật liệu đặc biệt gọi là chất xúc tác quang để thu năng lượng ánh sáng mặt trời và sử dụng năng lượng đó để kích hoạt các phản ứng hóa học, tách các phân tử nước (H₂O) thành hydro (H) và oxy (O), sau đó kết hợp các nguyên tử hydro với nitơ từ không khí để tạo thành amoniac (NH₃).

• Nguyên liệu Amoniac: Nitơ (N₂), Nước (H₂O) và ánh sáng

• Công nghệ then chốt: Xúc tác quang

• Ưu điểm: Không phát thải CO₂; tận dụng năng lượng tái tạo

• Thách thức: Cần nghiên cứu thêm để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của các vật liệu xúc tác quang

• Khả năng thương mại hóa: Các nghiên cứu đã cho thấy kết quả với hiệu suất rất thấp, cần nghiên cứu và thử nghiệm thêm để xác thực công nghệ này và mặc dù đầy hứa hẹn trong môi trường phòng thí nghiệm, việc mở rộng sản xuất amoniac quang hóa cho mục đích công nghiệp vẫn là một thách thức lớn.

7. Amoniac sinh học

Phân bón amoniac sinh học mang lại một giải pháp thay thế tự nhiên cho nitơ tổng hợp. Một số vi sinh vật nhất định có khả năng sử dụng enzyme nitrogenase để cố định nitơ khí quyển (vốn là khí trơ) thành nitơ phản ứng, có sẵn về mặt sinh học dưới dạng amoniac. Những vi khuẩn này, vốn đã có sẵn trong tự nhiên, có thể được sản xuất thành một sản phẩm phân bón có thể cung cấp nitơ trực tiếp đến rễ cây trồng.

• Nguyên liệu: Không có

• Công nghệ then chốt: Chỉnh sửa gen

• Ưu điểm: Là phân bón phi tổng hợp và do đó có thể được sử dụng trong nông nghiệp hữu cơ; phân bón vi sinh yêu cầu ít năng lượng để sản xuất hơn nhiều so với phân bón tổng hợp

• Thách thức: Cần nghiên cứu thêm để xác thực hiệu quả; phụ thuộc nhiều vào điều kiện đất đai

• Khả năng thương mại hóa: Một số công ty đang tiến hành các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực địa để đảm bảo các sản phẩm vi sinh của họ an toàn và bền vững cho các loại cây trồng khác nhau, một số sản phẩm thương mại đã có sẵn.

Trong vài thập kỷ tới, sự hội tụ của những tiến bộ trong năng lượng tái tạo, cải thiện khả năng thu giữ carbon và các thiết kế lò phản ứng sáng tạo sẽ tạo ra một danh mục các công nghệ sản xuất amoniac không chỉ đáp ứng nhu cầu phân bón của thế giới mà còn góp phần vào một tương lai bền vững, carbon thấp.

Phân bón Nitơ có nguồn gốc từ Amoniac

Mặc dù nitơ chiếm 78% không khí, hầu hết cây trồng chỉ có thể hấp thụ nitơ qua rễ sau khi nó đã được chuyển đổi sang dạng nitrat. Quá trình này gọi là "nitrat hóa" (nitrification), là một quy trình hóa học nhiều bước nhạy cảm với tính chất đất, độ ẩm và nhiệt độ.

Sau khi phân bón được bón, chúng dễ bị thất thoát do bay hơi (volatilization), nghĩa là một phần amoniac bị mất vào khí quyển dưới dạng khí. Lượng thất thoát này phụ thuộc vào loại phân bón và các điều kiện như độ pH của đất, độ ẩm và nhiệt độ. Phân nitrat không yêu cầu quá trình nitrat hóa nên ít bị thất thoát hơn, giúp quản lý hiệu quả hơn. Tuy nhiên, nitrat có tính di động cao trong đất, nếu mưa lớn có thể bị rửa trôi xuống sâu, làm ô nhiễm nước ngầm.

Tất cả các thất thoát nitơ đều đồng nghĩa với việc ít nitơ hơn cho cây trồng và năng suất thấp hơn. Do đó, nhiều quốc gia đã thực hiện quy định để tăng hiệu quả bón phân, thường thông qua việc khuyến khích sử dụng các chất ức chế (inhibitors) — các chất phụ gia hóa học làm chậm quá trình chuyển đổi phân bón sang dạng nitrat. Ví dụ:

• Ấn Độ: Từ 2015 yêu cầu tất cả urea được trợ giá phải phủ dầu neem (một chất ức chế hữu cơ).

• Đức: Bắt buộc sử dụng chất ức chế urease từ năm 2020.

• Anh: Áp dụng các quy tắc tương tự từ 2024.

• Hoa Kỳ: USDA cung cấp các ưu đãi cho nông dân sử dụng chất ức chế thông qua chương trình EQIP.

Các đặc tính khác nhau của phân đạm

Để tối đa hóa hiệu quả sử dụng nitơ (NUE), loại phân bón được chọn phải phù hợp với loại cây và điều kiện canh tác. Do amoniac là khối xây dựng cho nhiều loại phân bón, amoniac xanh cho phép tạo ra nhiều giải pháp carbon thấp khác nhau.

• Amoniac khan (AA, 82% N): Được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ cho các trang trại lớn. Đòi hỏi hạ tầng lưu trữ và máy bón phân phức tạp vì là khí nén.

• Ammonium Nitrate (AN, 34% N): Phổ biến ở Châu Âu. Phù hợp cho thời tiết ôn hòa, nhưng dễ gây cháy nổ nên bị quản lý nghiêm ngặt tại Mỹ.

• Urea (46% N): Loại phân đạm được tiêu thụ nhiều nhất thế giới. Dễ lưu trữ nhưng có tỷ lệ thất thoát do bay hơi cao nhất.

• Urea Ammonium Nitrate (UAN, 28-32% N): Dạng dung dịch lỏng, dễ bón đồng đều hơn amoniac khan và có thể trộn với thuốc bảo vệ thực vật.

• Ammonium Phosphate (MAP/DAP): Vừa cung cấp lân vừa là nguồn đạm quan trọng.

Khó khăn, thách thức

Để hiểu rõ các rào cản ngăn cản quá trình chuyển dịch xanh, RMI đã thành lập Nhóm công tác các bên liên quan về Amoniac (ASWG). Các rào cản chính bao gồm:

Về phía cầu:

• Giá cả: Đây là rào cản lớn nhất. Trừ khi phân bón carbon thấp có giá cạnh tranh với phân bón xám hoặc mang lại sự ổn định về giá, nếu không nhu cầu sẽ thấp.

• Thiếu tiêu chuẩn: Hiện chưa có bộ tiêu chuẩn thống nhất để phân biệt phân bón dựa trên dấu chân carbon trong sản xuất.

• Sự phức tạp khi chuyển đổi: Thay đổi loại phân bón đòi hỏi thay đổi cả máy móc, hạ tầng và tập quán canh tác.

Về phía cung:

• Rủi ro tài chính: Các dự án công nghệ mới có rủi ro cao hơn, dẫn đến lãi suất vay vốn cao.

• Thiếu hợp đồng bao tiêu dài hạn: Nông dân thường ký hợp đồng ngắn hạn, gây khó khăn cho việc dự báo doanh thu của các dự án mới.

• Quy trình cấp phép: Kéo dài và phức tạp, cùng với việc chờ đợi kết nối lưới điện.

• Hạ tầng lưu trữ: Thiếu hệ thống lưu trữ amoniac chuyên dụng cho các mô hình sản xuất phi tập trung.

Hỗ trợ Phân bón Carbon thấp

Việc sản xuất phân bón sạch đòi hỏi các chính sách hỗ trợ và ưu đãi ở mọi cấp chính quyền.

Ưu đãi cấp tiểu bang (tại Mỹ)

• North Dakota: Phê duyệt khoản vay 125 triệu USD có thể được xóa hoàn toàn cho các cơ sở phân bón sử dụng hydro từ điện phân.

• Minnesota: Cung cấp gói tài trợ 7 triệu USD cho sản xuất phân bón xanh, ưu tiên các hợp tác xã nông nghiệp.

• Illinois: Tạo ra tín dụng thuế 10 triệu USD/năm cho người sử dụng hydro sạch.

• Michigan: Sử dụng mạng lưới nghiên cứu đại học để thu hút các công ty như Nel Hydrogen xây dựng nhà máy sản xuất máy điện phân.

Ưu đãi cấp quốc gia

Đạo luật Giảm lạm phát (IRA):

• Tín dụng thuế 45V: Ưu đãi quan trọng nhất cho hydro sạch, mức hỗ trợ lên tới 3 USD/kg hydro nếu phát thải dưới 0,45 kg CO₂e/kg H2.

• Tín dụng thuế 45Y và 48E: Hỗ trợ sản xuất hoặc đầu tư vào điện sạch không phát thải.

Kết luận

Phân đạm là một phần thiết yếu của nông nghiệp hiện đại và amoniac đóng vai trò trung tâm. Sản xuất amoniac sạch quy mô lớn sẽ mở ra nhiều loại phân bón carbon thấp với các đặc tính độc đáo.

Các công nghệ mới nổi đang cung cấp giải pháp thay thế cho quy trình Haber-Bosch truyền thống. Ngoài việc giảm dấu chân carbon, chúng còn cung cấp mô hình sản xuất phi tập trung (quy mô nhỏ, tại chỗ) có thể cạnh tranh về chi phí và giúp ổn định nguồn cung địa phương, tạo việc làm tại các vùng nông thôn.

Để đẩy nhanh quá trình này, cần tập trung vào:

1. Ưu tiên các khoản tài trợ và cho vay: Các khoản vay lãi suất thấp dài hạn mang lại sự chắc chắn hơn cho nhà đầu tư so với tín dụng thuế hàng năm.

2. Tận dụng hệ thống giáo dục đại học: Thúc đẩy R&D và thử nghiệm thực tế tại địa phương.

3. Hỗ trợ công nghệ mới nổi: Tạo ra và xác thực các dự án thí điểm từ nguồn kinh phí nghiên cứu quốc gia.

Việc dịch chuyển thị trường khỏi một vài đơn vị thống trị sẽ thúc đẩy cạnh tranh, đổi mới và tái thiết kinh tế địa phương. Sản xuất phân bón tại chỗ giúp nông dân tự chủ hơn và giảm chi phí trong dài hạn, hướng tới một tương lai bền vững cho ngành nông nghiệp.