Fertilizzanti azotati di sintesi

I fertilizzanti azotati di sintesi portano alle radici delle colture azoto che l’industria ha preso dall’aria. Quasi tutti partono oggi dall’ammoniaca, ottenuta dall’azoto atmosferico e dall’idrogeno con il processo Haber-Bosch. Uno stabilimento sperimentale di Westeregeln, in Germania, iniziò a produrre calciocianamide dall’azoto dell’aria alla fine del 1904, dal 1905 seguirono gli stabilimenti ad arco in Norvegia, e il primo impianto di sintesi dell’ammoniaca entrò in funzione a Oppau, in Germania, nel 1913.

Che cos’è

Le colture hanno bisogno di molto azoto, che entra nelle loro proteine e nella clorofilla. L’aria che le circonda è fatta in gran parte di azoto, ma in una forma che non possono usare. Lo prendono dall’acqua del terreno, come nitrato o ammonio, e ogni raccolto ne porta via una parte dal campo. Per secoli i contadini lo restituirono con il letame e con le leguminose, i cui batteri radicali fissano l’azoto dell’aria, come nella rotazione delle colture. Nell’Ottocento lo compravano anche, soprattutto come nitrato del Cile e come solfato ammonico recuperato dalle officine del gas.

Il nitrato del Cile, raffinato da una roccia chiamata caliche, era il principale concime azotato sul mercato prima del 1914.

Un fertilizzante azotato di sintesi è azoto che un processo industriale ha tolto all’aria e che si vende in una forma solubile nell’acqua del terreno. Quasi tutto parte oggi dall’ammoniaca, un composto di azoto e idrogeno. Una parte dell’ammoniaca viene iniettata così com’è nel terreno, ma la maggior parte diventa altri concimi, tra cui l’urea e, nei primi anni della sintesi, il solfato ammonico. Prima che l’ammoniaca prevalesse negli anni Venti, altri due processi industriali del primo Novecento vendevano agli agricoltori l’azoto dell’aria: il nitrato di calcio ottenuto con l’arco elettrico e la calciocianamide.

Come funziona

La difficoltà sta nella molecola di azoto. I suoi due atomi sono legati così saldamente che serve molta energia per separarli; in natura ci riescono soprattutto alcuni batteri del suolo. I processi industriali forniscono questa energia come elettricità o come calore ricavato da carbone e gas.

Il processo ad arco di Kristian Birkeland e Sam Eyde usava un arco elettrico per far unire un po’ dell’azoto dell’aria all’ossigeno; ciò che l’agricoltore comprava alla fine era nitrato di calcio. Nel processo della calciocianamide, l’azoto si legava al calcio in forni elettrici, e la calciocianamide che ne risultava libera ammoniaca nel terreno umido. Entrambi consumavano molta elettricità. Gli stabilimenti norvegesi ad arco sorgevano accanto alle cascate, con generatori mossi dall’acqua; quello di calciocianamide di Knapsack, in Germania, costruito su un giacimento di lignite, produceva la corrente in una propria centrale.

Il nitrato che la coltura non assorbe esce dai campi attraverso i drenaggi e nutre le alghe di fossi e fiumi.

Il processo Haber-Bosch, che li ha sostituiti, unisce l’azoto dell’aria all’idrogeno e dà ammoniaca. Richiede molta meno elettricità dell’arco. L’idrogeno viene oggi soprattutto dal gas naturale e, per gran parte del resto, dal carbone: gli impianti di ammoniaca bruciano quindi molto combustibile fossile ed emettono grandi quantità di anidride carbonica.

Nel campo la coltura assorbe il nitrato e l’ammonio disciolti attorno alle radici. L’azoto che non usa può andare perso. Il nitrato si muove con l’acqua: scende verso la falda o scorre verso fossi e fiumi, dove insieme al fosforo nutre le alghe; quando le alghe muoiono e marciscono, l’acqua resta senza ossigeno. Una parte dell’azoto sfugge inoltre nell’aria, come ammoniaca o come protossido di azoto, un gas serra.

Storia ed evoluzione

Fino al 1914 il nitrato dei giacimenti di caliche del Cile forniva la maggior parte del concime azotato venduto nel mondo, e molti temevano che si esaurisse. Chimici e ingegneri di diversi paesi cercavano un modo per prendere invece l’azoto dall’aria.

La calciocianamide, che Adolph Frank e Nikodem Caro avevano imparato a ricavare dall’azoto dell’aria, fu proposta come concime nel 1901. Un processo concorrente fu adottato nel 1904 a Westeregeln, vicino a Magdeburgo, in Germania, dove uno stabilimento sperimentale entrò in funzione alla fine di quell’anno; Anthony Travis osserva che non si rivelò redditizio. In Italia, scrive, la società di Frank e Caro avviò verso il 1905 una fabbrica a Piano d’Orta; i primi tentativi fallirono e la produzione cominciò nel 1907. L’enciclopedia danese Lex colloca nel 1905 l’inizio della produzione industriale di calciocianamide, la storia aziendale di Evonik nel 1908.

In Norvegia il fisico Kristian Birkeland e l’ingegnere Sam Eyde si unirono nel 1903 attorno al forno ad arco, e nel 1905 iniziarono a Notodden i lavori di una piccola fabbrica, alimentata da una vicina centrale idroelettrica. Nello stesso anno nacque la Norsk Hydro, e il suo nitrato di calcio fu venduto come salnitro norvegese.

A Karlsruhe Fritz Haber cercò un modo di combinare direttamente azoto e idrogeno. Nel 1909 un apparecchio da laboratorio costruito con Robert Le Rossignol produceva ammoniaca liquida, e l’azienda chimica BASF, che aveva acquisito il processo, affidò a Carl Bosch il compito di farlo funzionare su scala industriale. La sua squadra lo portò dall’apparecchio da laboratorio a grandi convertitori d’acciaio. Il primo impianto partì a Oppau, vicino a Ludwigshafen, nel 1913, e la sua ammoniaca fu trasformata in solfato ammonico per l’agricoltura.

Un convertitore di ammoniaca dello stabilimento di Oppau, conservato oggi come monumento a Karlsruhe.

Durante la Prima guerra mondiale la Germania, tagliata fuori dal nitrato cileno, trasformò buona parte della nuova ammoniaca in acido nitrico per gli esplosivi e aprì nel 1917 un secondo stabilimento, più grande, a Leuna. Haber ricevette il premio Nobel per la chimica relativo al 1918, e Bosch condivise quello del 1931. A metà degli anni Venti l’Haber-Bosch era diventato il principale modo di fissare l’azoto, e la stessa Norsk Hydro costruì impianti di ammoniaca nel 1928 e nel 1929 per sostituire i suoi forni ad arco.

L’uso dei concimi crebbe in fretta con l’agricoltura intensiva del secondo dopoguerra. Vaclav Smil stimò che nel 2000 il 40% della popolazione mondiale dipendesse da cibo coltivato con azoto di sintesi, e il gruppo di Jan Willem Erisman portò la quota al 48% nel 2008. Con l’uso sono cresciuti i costi. L’Unione europea adottò la sua direttiva Nitrati nel 1991 a causa del nitrato nelle falde e delle fioriture di alghe in fiumi e mari, e l’ammoniaca resta uno dei prodotti dell’industria pesante a più alta intensità di carbonio.