Tin thị trường và sản phẩm

Phân bón tổng hợp đang đối mặt với những lo ngại về biến đổi khí hậu, chủ yếu do năng lượng và phát thải carbon trong quá trình sản xuất amoniac. Tuy nhiên, phân bón bao gồm nhiều dưỡng chất chính như nitơ (N), phốt pho (P) và kali (K), mỗi loại có mức năng lượng và tác động môi trường khác nhau. Với xu hướng hướng tới kinh tế vòng tròn, cần có cái nhìn toàn diện hơn về năng lượng liên quan đến phân bón vô cơ chứa nitơ và phốt pho. Trong bài đánh giá này, chúng tôi mô tả sự gia tăng sản xuất và tiêu thụ dưỡng chất vô cơ (tổng hợp) và hữu cơ (phân động vật) trong nông nghiệp, cùng với năng lượng quy trình sản xuất phân bón hạt chứa phốt pho và nitơ. Tiếp theo, chúng tôi dự báo nhu cầu toàn cầu về nitơ và phốt pho dựa trên các kịch bản bền vững và công bằng xã hội, để lập luận rằng việc thu hồi dưỡng chất là cách khả thi để đáp ứng nhu cầu này. Cuối cùng, chúng tôi thảo luận về đặc điểm và thách thức của các công nghệ thu hồi dưỡng chất mới nổi, cùng với hiệu suất cơ bản và chi phí của các cơ sở thu hồi đang hoạt động.

Việc cải thiện năng suất cây trồng nhờ phân bón tổng hợp ngày càng quan trọng khi dân số toàn cầu tiếp tục tăng. Có 17 dưỡng chất kiểm soát năng suất nông nghiệp, trong đó nitơ, phốt pho và kali là ba dưỡng chất chính. Hầu hết phân bón đều có nhãn "NPK" kèm theo ba con số chỉ tỷ lệ khối lượng của từng dưỡng chất. Nguyên liệu thô để sản xuất hóa học phân bón NPK là không khí (N), đá phốt phát (P) và muối kali (K). Tuy nhiên, vì không khí trơ, nitơ trong không khí phải được tinh chế thành amoniac và axit nitric trước khi sản xuất phân bón. Một số công thức phân bón phổ biến là amoniac (82% N), urê (46% N), muối amoni (~27% N), siêu phốt phát (20-46% P₂O₅) và amoni phốt phát (~11-20% N/6% P₂O₅), với P thường được biểu thị dưới dạng P₂O₅: 2,29 kg P₂O₅ tương đương 1 kg P. Sản xuất amoniac được công nhận là quy trình tiêu tốn năng lượng lớn, hiện là ngành tiêu thụ năng lượng lớn thứ tư trong lĩnh vực hóa chất tại Mỹ. Amoniac cũng là ngành tiêu thụ năng lượng lớn thứ hai toàn cầu, với ước tính 30 × 10⁶ GJ/tấn. Phần lớn năng lượng này liên quan đến quy trình sản xuất hơi nước cần thiết để tạo hydro.

Đá phốt phát được khai thác ở nhiều khu vực trên thế giới, nhưng 70% trữ lượng toàn cầu nằm ở Maroc và vùng Sahara. Sản xuất đá phốt phát chủ yếu bao gồm khai thác, làm giàu và sấy khô, tiêu tốn 1,18 GJ/tấn. Mặc dù năng lượng cho việc xử lý đá phốt phát thấp hơn hàng loạt so với nitơ (amoniac), nhưng nó vẫn đáng kể do khối lượng lớn. Năm 2019, 227 triệu tấn đá phốt phát được khai thác toàn cầu, tức là 2,7 × 10⁸ GJ/năm dành cho việc sản xuất đá phốt phát làm nguyên liệu thô. Các lo ngại về sử dụng đất, chất thải thừa từ khai thác, tốc độ cố định phốt pho tự nhiên chậm và phân bố không đồng đều của trữ lượng đá phốt phát toàn cầu đặt ra nhiều vấn đề chuỗi cung ứng tiềm ẩn.

Những rủi ro liên quan đến nguồn cung nitơ và phốt pho trở nên rõ nét hơn hôm nay do cuộc xâm lược Ukraine của Nga năm 2022 và các lệnh trừng phạt kèm theo, làm gián đoạn nguồn cung năng lượng toàn cầu và tăng chi phí năng lượng. Tác động này đến năng lượng đã dẫn đến giá thực phẩm toàn cầu tăng do nhu cầu năng lượng cho sản xuất phân bón và chi phí vận chuyển thực phẩm cũng như phân bón. Những rủi ro này có thể được giảm thiểu bằng cách giảm sự phụ thuộc của nguồn cung và phân phối nitơ vào nguồn năng lượng hiện tại, và giảm sự phụ thuộc của phốt pho vào nguồn cung khu vực cục bộ.

Các cân nhắc riêng biệt nhưng quan trọng không kém về nguồn cung và phân phối NP là tác động môi trường của những dưỡng chất này. Việc cố định nitơ qua sản xuất amoniac chiếm khoảng 2% phát thải khí nhà kính toàn cầu. Ngoài ra, 50-70% nitơ và hơn 70% phốt pho bón vào đất bị mất trước khi con người tiêu thụ dưới dạng thực phẩm. Những mất mát này là sự kết hợp giữa phát thải khí quyển, rò rỉ, dòng chảy bề mặt và xói mòn, cũng như thải từ phân động vật. Những tác động môi trường này còn liên kết với các vấn đề cung/cầu đã mô tả, vì hiệu quả下游 thấp yêu cầu cố định dưỡng chất (N) hoặc khai thác (P)上游 nhiều hơn cho sử dụng nông nghiệp.

Một cách tiếp cận để giải quyết những rủi ro này là tích hợp cách tiếp cận vòng tròn cho sử dụng dưỡng chất, nơi các dòng chất thải/mất mát được thu hồi và tái sử dụng cho nông nghiệp. Tính vòng tròn trong bối cảnh sử dụng dưỡng chất nhằm giữ càng nhiều dưỡng chất trong chuỗi cung ứng càng tốt bằng cách tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, đa dạng hóa nguồn tài nguyên và giảm thiểu rò rỉ. Cách tiếp cận vòng tròn này cũng có thể giảm rủi ro liên quan đến nguồn cung khu vực vì các điểm thải thường gần hơn so với nguồn dưỡng chất nhập khẩu. Hơn nữa, cách tiếp cận này có thể giảm rủi ro liên quan đến nguồn cung năng lượng nếu năng lượng thu hồi thấp hơn năng lượng quy trình hoặc nếu năng lượng quy trình được cung cấp từ nguồn tái tạo. Theo cách này, tận dụng cách tiếp cận vòng tròn liên quan đến cả việc giải quyết hiệu quả sử dụng dưỡng chất để giảm tác động môi trường và nâng cao thu hồi địa phương hoặc khu vực để duy trì nguồn cung dưỡng chất và thực phẩm toàn cầu. Cách tiếp cận vòng tròn này tốt nhất áp dụng cho nguồn chất thải điểm, ví dụ chất thải công nghiệp, nông nghiệp hoặc đô thị/thải nước, để tránh tiêu thụ năng lượng và chi phí bổ sung liên quan đến vận chuyển hoặc tách do dòng chảy phân tán và loãng tương ứng.

Sự tăng trưởng đáng kể trong tiêu thụ nitơ và phốt pho dường như ít liên quan đến tăng trưởng dân số toàn cầu hơn là tăng trưởng tiêu thụ dưỡng chất bình quân đầu người.
Trong khuôn khổ này, chúng tôi sẽ định lượng cung (sản xuất) và cầu (tiêu thụ) toàn cầu của dưỡng chất nitơ và phốt pho, năng lượng quy trình để phân phối những dưỡng chất này cho sử dụng nông nghiệp và dự báo nhu cầu dưỡng chất tương lai. Hơn nữa, chúng tôi sẽ cung cấp cơ sở cho cách tiếp cận vòng tròn bằng cách định lượng dưỡng chất có sẵn trong chất thải và mô tả các cách tiếp cận mới nổi cho thu hồi từ những dòng chất thải này, cùng với năng lượng và chi phí liên quan đến những cách tiếp cận kỹ thuật mới nổi này.

Cung Và Cầu Hiện Tại Của Nitơ Và Phốt Pho Trong Nông Nghiệp

Trong bài đánh giá này, tiêu thụ được định nghĩa là sự kết hợp giữa vật liệu vô cơ và hữu cơ cho sử dụng nông nghiệp, nơi vật liệu vô cơ là phân bón tổng hợp, trong khi vật liệu hữu cơ là từ phân động vật bón lên đất (xem Thông tin Bổ sung để biết chi tiết tính toán). Tiêu thụ dưỡng chất chính nitơ và phốt pho toàn cầu là 136 triệu tấn nitơ và 72 triệu tấn P₂O₅ năm 2019. Tiêu thụ nitơ và phốt pho này liên tục vượt quá lượng sản xuất từ năm 1961; tuy nhiên, lượng vật liệu hữu cơ tái sử dụng thường thấp hơn vật liệu vô cơ. Hơn nữa, cần lưu ý rằng giá trị hữu cơ ở đây bị đánh giá thấp vì các nguồn hữu cơ như cặn thực vật và chất thải con người không được bao gồm. Sự tăng trưởng tiêu thụ dưỡng chất này không chỉ do tăng trưởng dân số toàn cầu mà còn do sự gia tăng tổng thể trong tiêu thụ dưỡng chất vô cơ bình quân đầu người trong cùng kỳ.

Dữ liệu lịch sử này cho thấy tốc độ tăng trưởng hàng năm kép (CAGR) của tiêu thụ NP vô cơ là 3,6% từ 1961 đến 2019. CAGR này có thể được chia nhỏ thành CAGR trước 1988 là 6,3% và CAGR sau 1994 là 1,6%, với sự giảm đáng kể trong tiêu thụ giữa 1988 và 1994 do sự sụp đổ của Liên Xô.

Nhu Cầu Năng Lượng Hiện Tại Cho Sản Xuất Phân Bón Hạt Nitơ Và Phốt Pho

Phân bón nitơ và phốt pho vô cơ thường được phân phối dưới dạng hạt và viên urê, amoni nitrat, amoni sunfat, đá phốt phát, siêu phốt phát, monoamoni phốt phát (MAP), diamoni phốt phát (DAP) và các amoni phốt phát khác pha tạp với vi dưỡng chất. Các sơ đồ dòng quy trình đơn giản hóa cho sản xuất amoni phốt phát và siêu phốt phát được minh họa, với các hoạt động đơn vị cho phân bón rắn khác được cung cấp trong Thông tin Bổ sung. Những hoạt động đơn vị này nhằm minh họa năng lượng quy trình liên quan đến việc sản xuất phân bón hạt này và nhấn mạnh trọng tâm của bài đánh giá này vào tiêu thụ năng lượng chính không phải nguyên liệu.

Yêu cầu năng lượng quy trình liên quan trên đơn vị nitơ và P₂O₅ được tính toán dựa trên sự kết hợp giữa giá trị năng lượng cho sản xuất sản phẩm hạt và tiêu thụ toàn cầu của những sản phẩm hạt này. Dữ liệu này cho thấy hầu hết năng lượng quy trình cho nitơ hạt liên quan đến sản xuất urê, cung cấp 74% nitơ tổng hợp rắn, trong khi khoảng 50% năng lượng cho P₂O₅ hạt liên quan đến sản xuất siêu phốt phát đơn, cung cấp 11% phốt phát tổng hợp rắn. Dữ liệu này cũng chỉ ra rằng khoảng 39% năng lượng chứa trong phân bón phốt phát và 10% năng lượng chứa trong phân bón nitơ liên quan đến năng lượng quy trình. Điều này vì hầu hết năng lượng chứa cho phân bón dựa trên nitơ là do khí tự nhiên làm nguyên liệu cần cho hydro. Những giá trị cường độ quy trình này cũng cung cấp ý niệm về yêu cầu năng lượng cụ thể mà các quy trình thu hồi dưỡng chất có thể nhắm đến để giảm tác động của năng lượng chính liên quan đến nguyên liệu; tức là, các quy trình thu hồi sử dụng năng lượng tái tạo và hoạt động ở mức thấp hơn nhiều so với 1,8 GJ/tấn P₂O₅ và 5,7 GJ/tấn nitơ sẽ giảm tác động phát thải liên quan đến năng lượng chính sử dụng trong quy trình và nguyên liệu từ góc nhìn chu kỳ sống. Về bản chất, giá trị năng lượng thu hồi dưới giá trị năng lượng dưỡng chất trong bảng dẫn đến phát thải tránh từ hai nguồn: nguyên liệu tiêu thụ và năng lượng quy trình sử dụng.

Dữ liệu toàn cầu biểu thị cách sử dụng nitơ và phốt pho (dưới dạng P₂O₅) theo các chiều khác nhau từ 1961 đến 2019, minh họa tiêu thụ so với sản xuất, nitơ vô cơ so với hữu cơ tiêu thụ, P₂O₅ vô cơ so với hữu cơ tiêu thụ và tiêu thụ nitơ và P₂O₅ vô cơ bình quân đầu người. Những dữ liệu này cho thấy khoảng cách giữa sử dụng phân bón tổng hợp và hữu cơ, và chứng minh tăng trưởng tiêu thụ dưỡng chất không chỉ do tăng dân số.

Dự Báo Nhu Cầu Nitơ Và Phốt Pho Tương Lai Trong Nông Nghiệp

Dự báo nhu cầu tương lai của dưỡng chất nitơ và phốt pho được đánh giá dựa trên các kịch bản do Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) phát triển. Những kịch bản này được mô tả là Kinh Doanh Như Thường (BAU), Xã Hội Phân Tầng (SS) và Hướng Tới Bền Vững (TS), liên quan đến việc đạt Các Mục Tiêu Phát Triển Bền Vững Liên Hợp Quốc (UN SDGs) như không đói (SDG 2), nước sạch và vệ sinh (SDG 6) và tiêu thụ và sản xuất có trách nhiệm (SDG 12), để nêu một vài. Kịch bản BAU được mô tả là tương lai mà dù nỗ lực đạt SDGs, vẫn thất bại trong giải quyết thách thức tiếp cận và sử dụng thực phẩm. Kịch bản SS là tương lai mà xã hội được tổ chức theo tầng lớp với giới tinh hoa bỏ qua nỗ lực bảo tồn và giảm thiểu biến đổi khí hậu, kết hợp với khai thác quá mức tài nguyên thiên nhiên do khan hiếm thực phẩm và dinh dưỡng tốt. Kịch bản TS là tương lai mà xã hội hòa nhập và hiệu quả hệ thống thúc đẩy đạt mục tiêu SDG. Những kịch bản thay thế này được sử dụng để tính toán CAGR cho các kỳ khác nhau từ 2019 đến 2050, với tiêu thụ dưỡng chất NP dự báo được minh họa.

Kịch bản TS dự báo từ FAO dựa trên sản xuất phân bón không phát thải năm 2050. Do đó, trong kịch bản TS này, tất cả phân bón tổng hợp vào cuối ba thập kỷ tới phải không dựa trên hóa thạch, dựa trên hóa thạch với 100% thu hồi và lưu trữ carbon (CCS) hoặc dựa trên hóa thạch với công nghệ không phát thải mới nổi, ví dụ phân tích metan. Là lựa chọn thay thế, chúng tôi đặt dự báo 2050 giảm xuống mức tiêu thụ vô cơ năm 1961: 22,3 triệu tấn nitơ và P₂O₅ tổng hợp kết hợp, mang lại CAGR sửa đổi. Lý do cho dự báo 2050 này là 22,3 triệu tấn NP là giá trị thấp nhất được báo cáo cho tiêu thụ NP tổng hợp toàn cầu cho sử dụng nông nghiệp. Một câu hỏi riêng biệt là liệu các kịch bản khử carbon đề xuất—khử carbon hoàn toàn bởi FAO (không phát thải) hoặc gần như hoàn toàn khử carbon (gần không) đề xuất trong bài đánh giá này—có khả thi trong 30 năm tới dựa trên tiến bộ công nghệ hiện tại và tăng trưởng nhu cầu không. Mặc dù thảo luận khử carbon hoàn chỉnh hơi ngoài phạm vi của bài đánh giá này, vì động lực của chúng tôi là đánh giá năng lượng quy trình cho phân phối dưỡng chất chứ không phải năng lượng nguyên liệu, chúng tôi muốn đề cập ngắn gọn chủ đề này và cũng giới thiệu người đọc đến một số nghiên cứu sâu hơn về khử carbon sâu cho sản xuất phân bón.

Việc thu hồi dưỡng chất là thiết yếu để thúc đẩy Các Mục Tiêu Phát Triển Bền Vững vì chỉ tổng hợp dưỡng chất không thể đáp ứng nhu cầu dự báo một cách khả thi trong khi đạt mục tiêu khử carbon.

Phát thải từ sản xuất NP chủ yếu do cố định nitơ, với khoảng 2,4 tấn CO₂ phát thải trên tấn nitơ cố định (~2 tấn CO₂ trên tấn NH₃), trong khi khai thác và làm giàu phốt pho mang lại tối đa 0,383 tấn CO₂ trên tấn P₂O₅ (0,115 tấn CO₂ trên tấn đá phốt phát). Do đó, khử carbon cố định nitơ có thể phục vụ như proxy phù hợp cho tiến bộ trong khử carbon sản xuất phân bón, đặc biệt xem xét...