Der Preis des Überflusses: Die Treibhausgasemissionen von Düngemitteln summieren sich

Hier erhebt sich am Rande einer Autobahn ein Komplex aus Industrietürmen aus der flachen Landschaft, deren Schornsteine ​​und Rohre sich umeinander schlängeln. Arbeiter in neongelben Westen und Schutzhelmen navigieren in Pickups durch das Labyrinth, während ein industrielles Brummen die Gegend erfüllt. Künstliche Wolken schweben über dem nahegelegenen Mississippi, wo Lastkähne und Schiffe Waren flussaufwärts und flussabwärts transportieren.

Dabei handelt es sich um den Donaldsonville Complex von CF Industries, die weltweit größte Ammoniakproduktionsanlage. Die 1.400 Hektar große Stickstoffdüngemittelanlage ist Teil einer weitläufigen globalen Industrie, die für einen erheblichen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Laut einer Studie von Scientific Reports aus dem Jahr 2022 ist die Lieferkette für synthetische Stickstoffdünger für 2,1 % der weltweiten Emissionen von Wärmespeichergasen verantwortlich – mehr als die Emissionen des gesamten Luftverkehrs.

Allein das Werk in Donaldsonville ist die größte Quelle industrieller Treibhausgasemissionen in Louisiana. Doch der Emissions-Fußabdruck von Stickstoffdüngern endet nicht vor der Fabrik; Während des gesamten Lebenszyklus des Düngemittels entstehen Gase, die den Planeten erwärmen.

Der Studie zufolge stammen nur etwa 41 % der Emissionen aus der Herstellung und dem Transport von Düngemitteln aus Industrieanlagen wie dieser hier. Der Großteil stammt aus Emissionen, die von landwirtschaftlichen Feldern nach der Ausbringung des Düngemittels entstehen.

Die Wurzel des Problems: Manche Landwirte verwenden mehr Dünger, als für ein optimales Pflanzenwachstum nötig ist. „Die Pflanzen nehmen den zusätzlichen Stickstoff nicht auf“, sagte Alicia Ledo, eine freiberufliche Wissenschaftlerin und Mitautorin der Scientific Reports-Studie. „Es geht einfach in die Atmosphäre, was eine Verschwendung ist.“

Die Reise von Stickstoffdünger – und die Freisetzung starker wärmespeichernder Gase – ist langwierig und beeinflusst unterwegs das Klima.

Die Entdeckung eines Verfahrens zur Herstellung synthetischer Düngemittel im frühen 20. Jahrhundert revolutionierte die Landwirtschaft und ermöglichte große Produktivitätssprünge. Das heute noch angewandte Haber-Bosch-Verfahren entnimmt der Luft Stickstoff und kombiniert ihn mit Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen – meist Erdgas, auch Methan genannt – zu Ammoniak. Der Prozess emittiert zwei Haupttreibhausgase: Methan und Kohlendioxid.

Ammoniak ist ein Ausgangsstoff für die Herstellung stickstoffbasierter Düngemittel wie Harnstoff. Außerdem ist es die am zweithäufigsten produzierte Chemikalie der Welt und macht 2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen aus. Dadurch erzeugt die Chemikalie jährlich 450 Millionen Tonnen Kohlendioxid und ist emissionsintensiver als die Stahl- und Zementherstellung.

Im Jahr 2019 meldete der Donaldsonville Complex von CF Industries mehr als 10 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen – das entspricht den jährlichen Emissionen von 2,7 Kohlekraftwerken.

Beim Herstellungsprozess wird auch Methan freigesetzt, ein Gas, das mehr als 25-mal so wirksam ist wie Kohlendioxid und in der Atmosphäre kürzer verbleibt. Eine Studie der Cornell University und des Environmental Defense Fund ergab, dass die Methanemissionen von sechs repräsentativen Ammoniakdüngemittelfabriken 100-mal höher waren als die von der Düngemittelindustrie selbst gemeldeten Schätzungen.

Nach der Produktion wird der Dünger über Pipelines, Lastkähne, Schiffe, Züge und Lastwagen verschifft. Der Studie zufolge ist der Transport für 2,6 % der Gesamtemissionen von Düngemitteln verantwortlich.

Dann geht es weiter zu den Händlern und letztendlich zu den Landwirten und ihren Feldern. Jedes Jahr werden in den USA 6 Millionen Tonnen Stickstoffdünger auf Mais ausgebracht. Ein großer Teil geht an den Maisgürtel des Landes, fast 1.500 Meilen Landschaft im Mittleren Westen, die von dieser stickstoffbedürftigen Kulturpflanze dominiert wird.

In den Vereinigten Staaten entstehen schätzungsweise 72 Millionen Tonnen Kohlendioxid-äquivalente Emissionen aus dem Stickstoff, der auf den Feldern der Landwirte ausgebracht wird.

Es geht um den Stickstoffkreislauf, eine Reihe von Prozessen, bei denen Stickstoff und seine Verbindungen für Pflanzen und andere lebende Organismen zugänglich gemacht werden. Die Luft, die wir atmen, ist voller Stickstoff, aber Pflanzen müssen das Gas in eine nutzbare Form umwandeln. Bakterien und andere Organismen helfen beim Abbau.

Einige Nutzpflanzen können Stickstoff gut binden, etwa Hülsenfrüchte, Bohnen und Erbsen. Doch stickstofffressende Nutzpflanzen wie Mais, Tomaten und Melonen können ihren Stickstoffbedarf oft nicht ohne zusätzliche Hilfe decken.

Synthetischer Dünger gibt dem Boden einen Schuss reinen Stickstoffs – aber nicht alles davon wird von den Pflanzen genutzt. Ein Teil davon geht bei der Anwendung an die Luft verloren, ein anderer Teil geht verloren, wenn Mikroben Stickstoff im Boden binden und ihn später wieder an die Atmosphäre abgeben. Dünger regt die natürlichen mikrobiellen Aktivitäten des Bodens an, um mehr Lachgas zu produzieren, ein Gas, das 265-mal wirksamer ist als Kohlendioxid. Dieses Gas verbraucht die Ozonschicht, die die Erde vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt.

Lachgasemissionen entstehen „bis zu einem gewissen Grad immer dann, wenn Stickstoff im Boden verfügbar ist“, sagte Rod Venterea, Bodenwissenschaftler am USDA und außerordentlicher Professor an der University of Minnesota. „Das geht schon seit Tausenden von Jahren so. Jetzt haben wir die Möglichkeit, dem Boden größere Mengen Stickstoff zuzuführen, und das stimuliert natürliche Prozesse und schafft Produktions-Hotspots, die weit über das hinausgehen, was auf natürliche Weise produziert wird.“

Zusätzlicher Dünger kann auch von Feldern ins Grundwasser und in Flüsse gespült werden, wodurch Stickstoff, Phosphor und andere Nährstoffe flussabwärts gelangen.

Ein hoher Nährstoffgehalt führt dazu, dass in Gewässern Algen wachsen, was wiederum zu mehr Lachgas-, Kohlendioxid- und Methanemissionen führt. Dieser Vorgang wird Eutrophierung genannt.

In einer Studie aus dem Jahr 2018 wurde geschätzt, dass die Emissionen durch Eutrophierung in Seen und Aufstauungen etwa 20 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen ausmachen. Aufgrund des Klimawandels und des Bevölkerungswachstums wird erwartet, dass die weltweiten Methanemissionen aufgrund der Eutrophierung in den Seen der Welt im nächsten Jahrhundert um 30–90 % zunehmen.

Jessica D'Ambrosio, Leiterin des Landwirtschaftsprojekts von Nature Conservancy in Ohio, arbeitet daran, die Nährstoffverschmutzung im Eriesee zu verringern, der unter ausgedehnten Algenblüten leidet, die teilweise durch den Abfluss von Düngemitteln verursacht werden. Ungefähr 80 % der in den See mündenden Fläche sind landwirtschaftlich genutzt.

„Wenn Sie die Menge an Stickstoffdünger reduzieren, tragen Sie dazu bei, Algenblüten und Treibhausgasemissionen zu reduzieren“, sagte D'Ambrosio. „Wenn Ihre Böden gesund sind und Nährstoffe speichern, hat das beides für Sie und Ihr Wassereinzugsgebiet.“

Angesichts des enormen Treibhausgas-Fußabdrucks von Düngemitteln stehen Hersteller und Anwender zunehmend unter Druck, sich zu ändern.

Anfang des Jahres war André Cabrera Serrenho, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Cambridge, Mitautor einer Studie in Nature Food, die ergab, dass die Emissionen von Düngemitteln mit den derzeit verfügbaren Technologien bis 2050 um 80 % reduziert werden könnten.

In der Studie von Serrenho wurde geschätzt, dass etwa ein Drittel der Düngemittelemissionen durch Dekarbonisierung im Produktionsprozess reduziert werden könnten. Erneuerbare Energie kann zum Erhitzen und zur Erzeugung des Wasserstoffs zur Herstellung von Ammoniak genutzt werden. Dieser Prozess wird manchmal als „grüne Wasserstoffproduktion“ bezeichnet. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von sogenanntem „blauem Ammoniak“, das immer noch auf fossilen Brennstoffen basiert, aber das entstehende Kohlendioxid auffängt und speichert und es manchmal in den Untergrund einspritzt, um die Gewinnung von Öl und Gas zu unterstützen.

Die Düngemittelindustrie hat sich beide Technologien zu eigen gemacht. Beispielsweise begann das CF Industries-Werk in Donaldsonville Ende 2021 mit dem Bau einer Elektrolyseanlage, die voraussichtlich 20.000 Tonnen grünes Ammoniak pro Jahr oder ein Viertel von 1 % der Gesamtproduktion produzieren wird. Das Unternehmen hat außerdem mit ExxonMobil an einem Projekt zur Abscheidung und Bindung von etwa 20 % des in seinem Donaldsonville-Komplex erzeugten CO2 zusammengearbeitet. Letztes Jahr gab das Unternehmen bekannt, dass es einen Standort in Ascension Parish für den Bau eines neuen Exportprojekts im Wert von 2 Milliarden US-Dollar evaluiert. orientierte Produktionsanlage für blaues Ammoniak.

The Mosaic Co., ein weiteres führendes Düngemittelunternehmen, arbeitet daran, bis 2030 in Florida, wo das Unternehmen seinen Hauptsitz hat, und im gesamten Betrieb bis 2040 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Aufgrund der hohen Kosten strebt Mosaic derzeit kein grünes Ammoniak an und ist es auch Erforschung der Kohlenstoffabscheidung, sagte Sprecherin Natali Archibee.

Technologien zur CO2-Abscheidung stoßen auf Kontroversen bei Anwohnern, die keine weiteren Industrieanlagen in ihren Hinterhöfen wollen, und bei Kritikern, die sagen, sie würden lediglich die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen aufrechterhalten.

In einem Bericht des Center for International Environmental Law aus dem Jahr 2022 wird die Kohlenstoffabscheidungstechnologie als „falsche Lösung“ bezeichnet, die versucht, die Emissionen der Düngemittelindustrie durch „grün getünchte“ Produkte zu waschen. „Die Energie, die zur Herstellung von blauem Wasserstoff benötigt wird, macht es genauso schlimm, wenn nicht noch schlimmer, als nur die direkte Verbrennung von Gas“, sagte Carroll Muffett, Präsident und CEO von CIEL.

Serrenho sagte, dass eine umweltfreundlichere Produktion nur ein Teil der Lösung sei, da die meisten Emissionen aus dem Boden stammen. „Selbst wenn die petrochemische Industrie ihre eigene Produktion erstaunlich dekarbonisiert, reduziert sie dadurch nur ein Drittel der Gesamtemissionen“, sagte er. „Die anderen zwei Drittel müssen angegangen werden.“

Seine Studie ergab, dass die Lachgasemissionen von Bakterien im Boden durch die Zugabe von Chemikalien, sogenannten Nitrifikationshemmern, reduziert werden können. Auch die Umstellung auf emissionsärmere Düngemittel würde helfen.

Die wichtigste Änderung besteht jedoch darin, die Menge des Düngemittels zu reduzieren. Weniger als die Hälfte des weltweit ausgebrachten Düngers wird von Pflanzen aufgenommen. Landwirte könnten viel weniger verbrauchen, ohne den Ertrag zu verringern. „Allein dadurch können wir die Hälfte der mit Düngemitteln und anderen Umweltauswirkungen verbundenen Emissionen einsparen“, sagte Serrenho.

Der CIEL-Bericht forderte einen Übergang weg von industriellen Landwirtschaftsmodellen und synthetischem Dünger und hin zu regenerativeren Modellen, die die Lebensmittelproduktion nachhaltiger machen und gleichzeitig die biologische Vielfalt schützen würden.

„Der Beginn dieses Übergangs weg von fossilen Düngemitteln hin zu nachhaltigeren Lebensmittellösungen ist nicht nur ein entscheidender Teil der Reaktion auf die Klimakrise, sondern bringt uns auch wieder innerhalb unserer planetarischen Grenzen zurück, die die Erde zum Leben sicher machen“, sagte Muffett.

Diese Geschichte ist Teil von „The Price of Plenty“, einem Sonderprojekt zur Untersuchung von Düngemitteln des University of Florida College of Journalism and Communications und der University of Missouri School of Journalism, das von der landesweiten Berichterstattungsinitiative „Connected Coastlines“ des Pulitzer Centers unterstützt wird.