豊富な物の価格: 窒素で固定

Jul 12, 2023

ルイジアナ州南東部の曲がりくねったミシシッピ川のほとりに、CF インダストリーズの 1,400 エーカーのドナルドソンビル コンプレックスがスチーム パンクの光景の中にそびえ立っています。 巨大な冷却塔、タンク、炉、パイプ、煙突から蒸気が吐き出され、場合によってはアンモニアが漏れ出し、地域社会に屋内退避命令が出る可能性があります。

夜になると、この巨大な複合施設は小さな都市のように見えます。 膨大な数の明るい光が、化学品製造の忙しい現場で作業員を導きます。 この工場では 1,000 人近くの労働者が、農業やその他の産業向けに年間 800 万トン近くの窒素製品の生産に貢献しています。 アンモニア、硝酸アンモニウム、尿素、ディーゼル排気液は、パイプライン、鉄道、トラック、川や海のはしけを経由して複合施設から輸送されます。

同社によると、CFのドナルドソンビル事業は世界最大のアンモニア工場だという。 アンモニアは窒素原子に結合した 3 つの水素原子で構成され、窒素の合成プロセスの一部です。 市販の肥料に含まれる「ビッグ 3」栄養素である窒素、リン、カリウムの中で、窒素はタンパク質の構築に不可欠であり、タンパク質の構築により、ほとんどの生物の組織が構築されます。

続きを読む: WUFT 特別レポート — The Price of Plenty

最も一般的な化学元素の 1 つである窒素は、空気の 78% を占めます。 植物も動物も人間もそれなしでは生きていけません。 しかし、ガスの形で使用することもできません。 それは「修正」する必要があります。 自然界では植物や微生物が大気中の窒素をアンモニアに変換するため、この修復はゆっくりと起こります。 過去 1 世紀にわたり、このフィックスは、超高圧下で空気中の窒素と水素を結合させてアンモニアを生成する、いわゆるハーバー・ボッシュ プロセスで産業目的で過給されてきました。

1918年、このプロセスは「農業水準と人類の幸福を向上させる極めて重要な手段」として、ドイツの化学者フリッツ・ハーバーにノーベル化学賞を受賞した。 1世紀後、人口統計学者は、現在地球上に住んでいる80億人のうち、合成窒素肥料なしで養うことができるのは半分だけだと推定しています。

しかし、何十億人もの人々を養っている同じ栄養素が、化学兵器や工場の爆発、あるいは環境中の過剰摂取によって死亡する可能性もあります。 農場で過剰に施用されると、過剰な窒素が水路に流れ込み、そこで増殖する藻類の燃料となり、光を遮断し、他の植物や動物を酸素不足に陥らせます。

「窒素肥料が発展途上国を含む世界中の何十億人もの人々を養うための食料生産を促進し、社会に多大な利益をもたらしていることに疑問の余地はありません」と環境保全プロジェクトは今春、窒素肥料の規制強化を求める報告書で報告した。公共の安全と環境に対する脅威により、業界は混乱します。 「しかし、化学肥料の過剰施用は環境にコストをもたらし、化学物質の製造が十分に規制されていない場合、その害はさらに大きくなります。」

20世紀初頭、ヨーロッパとアメリカの農民は、固定窒素源としてチリからの硝石やペルーからの巨大なグアノなどの輸入に頼っていました。 ベルリンのマックス・プランク科学史研究所の物理学者ベンジャミン・ジョンソン氏は、ハーバー氏の合成アンモニア生成の発見は世界を変えたと語った。

当時、化石燃料へのエネルギーの大規模な移行が進行中でした。 農業は工業化していました。 人々はハーバーの発明に興奮していたが、難しいのはそれをスケールアップすることであった、と2022年の著書『Making Ammonia: Fritz Haber, Walther Nernst, and the Nature of Scientific Discovery』の著者であるジョンソン氏は語った。

彼が発見の特許を取得したのと同じ年の 1908 年、化学会社 BASF はハーバーと契約を結び、工業規模の高圧アンモニア合成を開発しました。 BASF の化学エンジニア、カール・ボッシュがこのプロジェクトに割り当てられました。 彼は、激しいガス圧力と温度に耐えられるプラントと機構を構築する必要がありました。 ボッシュは「圧力オーブンが壊れないように、このガス混合物を圧力下に保ち、密閉した状態に保つための特別なケーシングを考え出す必要があった」とジョンソン氏は語った。

ボッシュのチューブは、たとえ炭素鋼製であっても、最初は破裂することがありました。 高圧と 400°C 以上の温度下では、彼が試した材料のほとんどは必然的に崩壊しました。 彼はさまざまな種類の鋼と触媒を実験し、最終的には窒素と水素からアンモニアを製造するための、CF 産業やその他のプラントで現在も使用されている工業プロセスに落ち着きました。 1914 年に発表されたボッシュの機械は高さ 26 フィートで、1 時間あたり 198 ポンドのアンモニアを製造できました。 年間生産量は 430 万トンで、CF インダストリーズのドナルドソンビル工場は現在 24 時間稼働し、1 時間あたり 495 トンのアンモニアを生産しています。

1931 年、ボッシュは以前のハーバーと同様に、より良い世界への貢献によりノーベル化学賞を受賞しました。

ハーバー・ボッシュ法は農業に革命をもたらし、1 エーカーの土地で養える人口を 2 倍にしました。

しかし、空気中から肥料用の窒素化合物を作ることが、フリッツ・ハーバーを化学戦争への暗い道へと歩み始めた。 第一次世界大戦初期、ドイツは軍需危機に直面した。 当時ベルリンのカイザー・ヴィルヘルム物理化学研究所所長だったハーバー氏は、支援に乗り出した。 ドイツの歴史家マルギット・シェロシ＝ヤンツェによると、彼は軍や産業界の指導者、科学者、政治家を説得して大規模な化学兵器の製造を開発させたという。

ハーバーは、1915 年 4 月にベルギーのイーペルにある西部戦線で、卓越風を捉えるために気象学者と協力して、戦時中初の毒ガス使用を指揮しました。 彼はドイツ軍を率いて、6,000本の鋼製シリンダーを塹壕に設置しました。 兵士たちがバルブを開けると、160トンの塩素ガスが風下に漂った。 この新型兵器は数分以内に1,000人以上のフランス人とアルジェリア人の兵士を殺害し、さらに数千人を負傷させた。

ショロシ＝ヤンゼ氏によれば、こうした犠牲者以上にハーバーは、他国が爆発物や化学兵器の開発を競う新たな世界規模の化学戦争の触媒となったという。 戦争が終わるまでに、推定 1,000 人の科学者がドイツの毒ガス計画に取り組んでいました。

ハーバーはイーペルでの「成功」を祝われ、1915年5月1日の夜、所長の邸宅で開かれた集会で昇進した。同じ夜、彼の妻で化学博士のクララ・イマーヴァール・ハーバーは夫の銃で自殺した。軍用ピストル。 彼女の自殺が、夫の大量化学兵器への関与に対する失望によって引き起こされたかどうかについては、歴史家の間で意見が分かれている。

ハーバー氏の功績は「人類の恩人として賞賛されると同時に、戦争犯罪者として告発された科学者」であるとシェロシ＝ヤンゼ氏は書いた。 「彼の科学的研究は食糧生産と戦争の両方を変革しました。」

ハーバー・ボッシュの発明から 1 世紀後、米国では約 30 の化学工場が肥料産業用のアンモニアを生産しています。 環境保全プロジェクト（EIP）によると、新しいアンモニア肥料工場の建設とさらに3つの工場拡張に関する9件の提案に基づいて、その数は今後数年でさらに3分の1増加する可能性がある。

EIPは報告書「肥料ブーム」の中で、肥料の拡大は公共の安全と環境にリスクをもたらすと主張している。 EIPによれば、過去100年間で窒素肥料の大規模爆発により米国で641人、全世界で1,237人が死亡した。 同非営利団体は環境保護庁に対し、製造業者に災害の計画を立て、地元の緊急時計画担当者と情報を共有することを義務付ける140以上の有害化学物質のリストに硝酸アンモニウムを追加するよう求めている。

この業界はまた、水質や大気汚染、大量の温室効果ガスの排出によって環境にリスクをもたらします。 学術誌「サイエンティフィック・リポーツ」に発表した研究者らは、世界全体で合成窒素の生産と使用が温室効果ガス排出量の2パーセント以上を占めており、これは全世界の旅客機と民間航空を合わせたものよりも多いことを発見した。

窒素肥料は、全国各地やメキシコ湾の「デッドゾーン」での有毒藻類の発生に関係する栄養流出の大部分を占めている。 窒素は肥料製造工場からも直接放出されます。 ヘルシー・ガルフの上級政策ディレクター、マット・ロタ氏は、「窒素肥料を製造している場合、その過程で保存されない窒素も水中に排出することになる」と説明した。

ヘルシー・ガルフと環境保全プロジェクトは、今春、環境保護技術に関する時代遅れの規制としてEPAに対して連邦訴訟を起こした13の環境団体の1つである。 ヘルシー・ガルフによると、米国の21の窒素肥料工場は2021年に770万ポンドの窒素を水路に排出した。

もっと大きな視点で見ると、米国の農家は年間約 2,100 万トンの肥料を使用しており、その半分以上が窒素ベースです。 栄養素の約半分は作物に吸収されず、流出によって失われ、最終的には川、湖、川に流れ込みます。 ロタ氏は、ミシシッピ川によって湾岸に運ばれる中西部のトウモロコシや大豆作物からの窒素がデッドゾーンにとって特に問題であると述べた。

CFインダストリーズはこの話に関する質問には答えなかった。 同社は、CFが2030年までに炭素排出量を25%削減し、2050年までに炭素排出量ネットゼロを達成できる2つの新しい種類のアンモニア生産プロジェクトを推進していると発表した。

グリーンアンモニアとは、再生可能エネルギーで生成されるアンモニアのことです。 CF はドナルドソンビルに電気分解システムを追加しており、これにより同工場では年間生産量のわずか 0.25% に相当する年間 20,000 トンのグリーンアンモニアを生産できるようになります。

青色のアンモニアは、アンモニアが従来的に生成されているが、その過程で排出される CO2 が回収され、保管されていることを意味します。 CFは昨秋、ドナルドソンビルの炭素回収プロジェクトに20億ドル近くを投資し、同工場で年間170万トンのブルーアンモニアを生産できるようにする計画を発表した。

ルイジアナ州のジョン・ベル・エドワーズ知事は、ルイジアナ州をクリーンエネルギーへの移行のリーダーにするための投資を賞賛した。 CF Industriesの社長兼最高経営責任者（CEO）のTony Will氏は、Edwardsとのプレスリリースの中で、同社が初めて大量のブルーアンモニアを市場に投入すると述べた。 「これにより、この低炭素エネルギー源を、自らの脱炭素化目標にとって重要であるとますます認識する削減が困難な業界に供給できるようになります」とウィル氏は述べた。

しかし、二酸化炭素の回収と貯留はリスクがあり、欠陥があり、実証されていない技術であると言う批評家はたくさんいます。 CFなどのプロジェクトは、昨年のインフレ抑制法に基づいて多額の金銭的インセンティブを獲得することになる。 深南部環境正義センターの法律・政策担当ディレクター兼コミュニティ参加プログラムマネージャーのモニーク・ハーデン氏は、「状況はほぼ同じようだ」と語った。 CFの計画では、ドナルドソンビル工場で排出物を回収し、約160マイル輸送し、エクソンモービルが所有する敷地の地下に貯蔵するというものだ。

弁護士として20年間、主にアフリカ系アメリカ人のコミュニティが環境正義の勝利を勝ち取るのを支援してきたハーデン氏は、二酸化炭素回収・貯留プロジェクトは、工場の近くに住む人々だけでなく、すでに健康と安全のリスクに直面している市民にも危険をもたらす可能性があると述べた。パイプラインの経路や地下貯蔵施設の近く。

ロタ氏は、CFインダストリーズが依然として炭素を排出する青色アンモニアに多額の投資を行っていることを物語っていると述べた。 「これは 2 つのことを示していると思います」と彼は言いました。 「彼らはグリーンアンモニアを生産する能力を完全に備えており、ルイジアナ州は石油化学州として、またそれが問題にならない州として見られ続けている。」

『アンモニアの作り方』の著者であるジョンソン氏は、「ハーバーの時代には二酸化炭素のことなど気にしていなかったが、今は気にしている」と述べた。 したがって、電気分解を使用してアンモニアを「環境に優しい」ものにする新しい技術を見るのは興味深いことです。

「その技術が欲しいかどうか、そしてそれに資金を提供したいかどうかという人間としての選択が、導入プロセスの非常に中心となる」とジョンソン氏は語った。

ハーバー氏の話は「科学の進歩がどのように世代を超え、新たな状況に適応していくかを示している」と同氏は『アンモニアの作り方』に書いている。 「私たちはこれらの出来事から学び、教訓を応用することができます。」

この記事は、フロリダ大学ジャーナリズム・コミュニケーション学部とミズーリ大学ジャーナリズム学部による肥料を調査する特別プロジェクト「The Price of Plenty」の一部であり、ピューリッツァー・センターの全国規模の「Connected Coastlines」報道活動の支援を受けている。