Il s'avère que l'ammoniac pourrait être le carburant du futur

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L'ammoniac (formule chimique NH3) est naturellement présent dans l'environnement, mais il est également largement utilisé dans l'industrie et le commerce.

Pour les êtres vivants, il est un précurseur essentiel à la synthèse des acides aminés et des nucléotides et est nécessaire à de nombreuses activités biologiques. L'ammoniac est également un produit de l'activité bactérienne dans le sol et est créé dans le cadre du cycle de l'azote dans l'environnement.

Mais, pour l'usage humain, il est essentiel comme ingrédient principal dans la fabrication d'engrais pour la production alimentaire. En fait, il a été avancé que le développement de sa synthèse à grande échelle est l'une des découvertes les plus importantes de tous les temps. Cependant, il a également été souligné que la surutilisation généralisée d'engrais à base d'ammoniac a dégradé le cycle de l'azote et contribué à des dommages environnementaux.

Bien que son utilisation généralisée suscite de sérieuses préoccupations environnementales, l'ammoniac pourrait bien être en mesure d'économiser les moteurs à combustion et de rendre les technologies renouvelables véritablement durables d'un seul coup !

Mais comment? Découvrons-le.

Bref, c'est très certainement possible. C'est du moins ce qu'un nombre croissant d'experts sur le sujet commence à explorer.

L'ammoniac est largement utilisé depuis de nombreuses années comme réfrigérant dans les systèmes de réfrigération et la fabrication d'articles tels que des engrais, des produits de nettoyage ménagers et des désinfectants, pour ne citer que quelques produits.

Cependant, en raison de sa nature sans carbone et de son utilisation potentielle comme combustible pour réduire les émissions de CO2, l'ammoniac a récemment commencé à attirer l'attention des chercheurs, des scientifiques, des ingénieurs et des technologues. En tant que support de stockage d'hydrogène spécial (avec trois atomes d'hydrogène) et méthode de transport et de distribution, il peut être extrêmement utile pour résoudre plusieurs problèmes liés aux options énergétiques de l'hydrogène et à l'économie de l'hydrogène.

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En effet, il utilise les mêmes méthodes de transport et de distribution existantes que les industries utilisent déjà sans nécessiter de modifications d'infrastructure. Au cours des dix dernières années, les tentatives d'utilisation de l'ammoniac dans les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne se sont considérablement multipliées.

En tant que source potentielle de combustible, l'ammoniac présente des avantages significatifs : -

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On estime qu'environ 1/3 de la consommation totale d'énergie dans le monde provient du secteur des transports, où les combustibles fossiles sont principalement utilisés pour fabriquer des carburants de transport courants comme le diesel, l'essence, le carburéacteur, etc.

Bien qu'il s'agisse de l'une des sources de carburant les plus utilitaires jamais découvertes par l'homme, leur utilisation intensive a entraîné de très grandes quantités d'émissions de gaz à effet de serre, dont on pense généralement qu'elles causent de graves dommages à l'environnement. Bien que les constructeurs et les gouvernements déploient des efforts considérables pour passer aux véhicules électriques et hybrides, une préoccupation est que ce changement ne peut pas être achevé rapidement en raison des problèmes d'infrastructure, économiques et de matières premières.

Selon de nombreuses études, on n'en fait pas assez ni assez rapidement.

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De plus, l'utilisation de générateurs diesel et à essence dans les applications résidentielles, commerciales, utilitaires et hors réseau augmente la consommation de combustibles fossiles et les émissions de CO2. Pour passer plus rapidement à une économie basée sur l'hydrogène, l'utilisation de l'ammoniac dans les procédés de combustion tels que les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne peut s'avérer critique.

Plusieurs tentatives ont été faites ces dernières années pour utiliser l'ammoniac dans les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne.

Par exemple, dans le cadre d'une procédure en cours sur les micro-réseaux, la California Public Utilities Commission a rencontré des parties prenantes de l'industrie pour discuter d'alternatives aux générateurs diesel et envisage de remplacer les générateurs diesel par des générateurs à ammoniac d'ici 2021.

Dans le cadre de ce plan, 350 MW de générateurs diesel utilisés dans 63 sous-stations sont destinés à être remplacés par des générateurs à ammoniac.

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Le Japon a également lancé un plan d'action global pour l'utilisation de l'ammoniac dans le secteur manufacturier, principalement dans la production d'électricité. Une compagnie maritime japonaise a annoncé le lancement d'un projet sur des navires alimentés à l'ammoniac et des systèmes d'alimentation en carburant pour ceux-ci.

De nombreuses autres applications d'ammoniac sont présentées plus en détail dans les sections suivantes. On prévoit que les systèmes fonctionnant à l'ammoniac couvriront bientôt 1 % de la consommation d'électricité du Japon.

Un programme de turbines à gaz alimentées à l'ammoniac a également été lancé pour la production d'électricité au Japon.

Cependant, comme beaucoup de choses dans la vie, il n'y a pas de solutions, seulement des compromis. Malgré les avantages évidents de l'ammoniac, il présente des défis uniques liés à sa toxicité, son inflammabilité et sa combustion dans les moteurs, turbines et générateurs d'électricité traditionnels.

En outre, bien que l'ammoniac soit sans carbone, le processus le plus couramment utilisé pour sa fabrication est incroyablement intensif en carbone. Non seulement cela, mais la libération d'ammoniac et d'oxydes d'azote dans l'atmosphère est tout aussi néfaste pour le réchauffement climatique que le CO2, sinon pire. De toute évidence, pour utiliser efficacement l'ammoniac, il sera nécessaire de développer des méthodes de fabrication vertes.

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Cela étant dit, les avantages potentiels de l'utilisation de l'ammoniac comme carburant peuvent l'emporter sur ses inconvénients. Ceux-ci incluent, mais ne sont pas limités à : -

Nous avons déjà couvert quelques raisons ci-dessus, mais l'un des principaux avantages de l'ammoniac est qu'il peut être considéré comme une "monnaie énergétique" non biologique. Ce terme dérive de son utilisation pour une molécule dans chaque cellule vivante appelée adénosine triphosphate (ATP).

Dans votre corps, cette substance est une sorte de source d'énergie unique pour diverses fonctions biologiques du corps.

Certains considèrent l'ammoniac anhydre (NH3) comme la meilleure « monnaie énergétique » pour l'électricité verte puisqu'il peut être utilisé pour stocker et distribuer l'énergie avec une grande facilité. En termes d'énergie renouvelable, la possibilité de stocker l'électricité « dans une bouteille » afin de pouvoir l'utiliser en période de pénurie est clairement extrêmement bénéfique.

Principalement, comme nous l'avons discuté précédemment, son avantage est sa teneur en hydrogène.

L'hydrogène a longtemps été considéré par certains comme le Saint Graal du carburant "vert", bien qu'il soit extrêmement rare sous sa forme pure sur Terre. Il est respectueux de l'environnement car il est fabriqué à partir de ressources renouvelables, dont la plus populaire est le craquage électrolytique de l'eau.

De plus, des sources "brunes", comme le raffinage du pétrole, sont également utilisées pour fabriquer de l'hydrogène. À ce jour, la grande majorité de l'hydrogène synthétique dans le monde est créée soit en tant que sous-produits du raffinage du pétrole, soit par reformage à la vapeur du gaz naturel. Ces deux processus contribuent aux émissions de carbone dans l'atmosphère.

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Alors, pourquoi quelqu'un envisagerait-il d'utiliser de l'ammoniac anhydre plutôt que de l'hydrogène ?

Après tout, sur une base poids par poids, l'hydrogène a une teneur énergétique LHV (pouvoir calorifique inférieur) plus élevée que l'ammoniac (51590,7 BTU/lb ou 120 MJ/kg contre 8082,5 BTU/lb ou 18,8 MJ/kg).

Cependant, cela néglige le fait que l'ammoniac est un transporteur d'hydrogène bien supérieur en termes de volume que même l'hydrogène liquéfié. En effet, l'hydrogène liquide a une densité d'énergie d'environ 8,491 MJ/litre par rapport aux 11,5 MJ/litre de loin supérieurs de l'ammoniac.

Bien qu'il ait 17,65% d'hydrogène en poids, l'ammoniac contient environ 48% d'hydrogène en plus en volume que même l'hydrogène liquide en raison du fait qu'il a trois atomes d'hydrogène liés à chaque atome d'azote.

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L'hydrogène est souvent considéré comme un produit énergétique, bien qu'il puisse finalement être inexploitable pour plusieurs raisons.

L'un des principaux problèmes est que l'hydrogène gazeux comprimé a une faible densité énergétique, ce qui entraîne des dépenses de transport et de stockage. Cela peut prendre plus d'énergie dans le carburant que l'hydrogène n'en génère pour transporter de l'hydrogène gazeux comprimé sur de longues distances, selon la méthode utilisée.

De toute évidence, l'hydrogène liquéfié a une densité d'énergie plus élevée que l'hydrogène gazeux comprimé. Pourtant, puisque l'hydrogène a un point d'ébullition bas (-423 oF/-253 oC), il nécessite beaucoup d'énergie pour se liquéfier et maintenir la réfrigération.

Environ 30 % de l'énergie contenue dans l'hydrogène liquide est nécessaire à la liquéfaction, et seulement 10 à 15 % sont nécessaires pour comprimer l'hydrogène à 800 bars.

Un autre facteur est que les molécules d'hydrogène sont difficiles à contenir, car elles sont si petites. Contrairement aux gaz avec des molécules plus géantes comme l'ammoniac et le propane, l'hydrogène s'infiltrera lentement des tuyaux à un rythme beaucoup plus élevé. Les métaux peuvent également être fragilisés par l'hydrogène, ce qui nécessite le remplacement de routine des réservoirs métalliques, des vannes et des tubes.

En raison du poids des réservoirs d'hydrogène haute pression, l'hydrogène comprimé ne peut être livré qu'en petites quantités, soit environ 400 kg (0,4 tonne).

L'ammoniac, pour beaucoup, a plus de sens.

Pour commencer, l'ammoniac se comporte et se stocke de manière assez similaire au GPL, avec un point d'ébullition de -28,03 °F (-33,35 °C). En revanche, l'ingrédient principal du GPL, le propane, a un point d'ébullition de -43,73 °F (-42,07 °C).

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Un autre avantage de l'ammoniac par rapport à l'hydrogène est que le risque d'explosion ou d'incendie est si faible que les étiquettes MSDS le répertorient comme un gaz ininflammable avec un indice d'inflammabilité NFPA de 1. De plus, en raison de l'arôme de l'ammoniac, même des taux de fuite extrêmement modestes sont facilement détectables par le nez humain.

Si des fuites d'ammoniac se produisent, elles diffusent facilement dans l'atmosphère, où elles sont finalement éliminées par photodissociation. De plus, étant donné que l'ammoniac ne provoque pas de fragilisation, les réservoirs métalliques, les vannes et les tubes n'ont pas besoin d'être remplacés régulièrement.

En bref, oui, ils le peuvent (en théorie).

Appelée conversion de véhicule à l'ammoniac à double carburant, elle est physiquement identique à une conversion de véhicule au gaz naturel comprimé dans sa forme de base.

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Cependant, seulement 150 PSI d'ammoniac liquide sont conservés dans un nouveau réservoir à bord. Une fois le moteur démarré et réchauffé avec de l'essence, de l'éthanol, etc., des régulateurs, des soupapes et un système de commande électronique mesurent le débit d'ammoniac vers le moteur si nécessaire.

Lorsqu'il est liquéfié, l'ammoniac a environ la moitié de l'énergie volumétrique de l'essence. Lorsque la contribution énergétique de l'énergie de l'essence est prise en compte, cela indique qu'un réservoir d'ammoniac de la taille de votre réservoir d'essence existant vous transportera plus des 2/3 de la distance de fonctionnement à l'essence seule entre les pleins.

Le moteur est démarré avec une petite quantité d'essence et, à mesure que la charge augmente, de l'ammoniac est ajouté pour générer plus d'énergie. Le module électronique de contrôle du moteur s'occupe de tout automatiquement.

Génial.

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Cependant, il n'y a pas beaucoup de kits de conversion disponibles au public largement disponibles, le cas échéant. Actuellement, les flottes de voitures et d'autres applications majeures du marché sont au centre de tout développement de conversion. Cependant, les conversions de voitures particulières seront probablement en cours en raison de la hausse des prix de l'essence.

En ce qui concerne les coûts pour effectuer une conversion, c'est un peu difficile à répondre.

Cependant, changer un véhicule pour qu'il fonctionne principalement au gaz naturel comprimé revient à le convertir pour qu'il fonctionne en grande partie à l'ammoniac. Ainsi, pour les voitures privées, les pièces et la main-d'œuvre coûteraient probablement quelques milliers de dollars (ou moins, selon votre pays).

Mais, l'investissement en vaudrait probablement la peine.

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Toute économie de coûts serait basée sur le coût de l'essence et de l'ammoniac (tout comme le GPL et l'essence). L'ammoniac coûte actuellement environ 0,23 $ le litre, soit 0,85 $ le gallon. Cependant, vous ne le trouverez probablement pas dans votre station-service locale de si tôt.

Mais, même un véhicule converti peut toujours fonctionner à l'essence ordinaire si un complément d'ammoniac est rare. Tout comme un véhicule à double carburant GPL, vous seriez en mesure de le faire fonctionner normalement avec 100 % d'essence en actionnant simplement un interrupteur, contrairement aux voitures converties au GPL ; pour de nombreux véhicules au gaz naturel, cela n'est pas possible.

L'une des réactions chimiques industrielles les plus importantes jamais créées est le procédé Haber-Bosch, qui transforme l'hydrogène et l'azote en ammoniac. Grâce à cette méthode, l'engrais à l'ammoniac est devenu largement disponible, contribuant à une augmentation de la population mondiale en accélérant le rythme auquel les rendements agricoles ont augmenté.

Selon Statista, quelque 150 millions de tonnes métriques d'ammoniac ont été produites en 2022. Environ 50 % de la production alimentaire mondiale dépend des engrais ammoniacaux, qui représentent environ 80 % de l'ammoniac actuellement fabriqué.

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L'ammoniac restant est utilisé pour créer d'autres composés, tels que des explosifs, des polymères, des textiles et des médicaments.

Selon l'ingénieur chimiste Karthish Manthiram du Massachusetts Institute of Technology, le processus Haber-Bosch est impliqué dans la création de presque toutes les substances synthétiques que nous utilisons qui contiennent des atomes d'azote. Tous ces atomes d'azote proviennent de l'ammoniac, donc chacune des choses que nous utilisons a une empreinte carbone importante.

Même si le procédé Haber-Bosch est une percée technologique importante, il a toujours été énergivore, ce qui entraîne son énorme empreinte carbone.

La réaction consomme environ 1 % de la production mondiale d'énergie totale tout en fonctionnant à des températures d'environ 500 °C et à des pressions allant jusqu'à 20 MPa. Selon l'Institute for Industrial Productivity, il libère jusqu'à 450 millions de tonnes de CO2, plus ou moins, par an.

C'est plus que toute autre réaction chimique industrielle et on estime qu'elle représente environ 1,8 % des émissions mondiales annuelles de CO2. Cela s'explique principalement par le fait que la production d'ammoniac dépend actuellement fortement de l'utilisation de combustibles fossiles pour les matières premières et l'énergie.

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L'Agence internationale de l'énergie, le Conseil international des associations chimiques et la Society for Chemical Engineering and Biotechnology ont publié un rapport conjoint en 2013 qui a révélé que les émissions de CO2 provenant de la production d'hydrogène représentent plus de la moitié de celles de l'ensemble du processus de production d'ammoniac.

Et cette tendance ne fera que croître (au propre comme au figuré) à mesure que nos besoins en engrais ammoniaqué augmentent. L'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture prévoit que d'ici 2020, la demande d'engrais azotés sera passée de 110 millions de tonnes en 2015 à plus de 119 millions de tonnes.

Mais, il y a de la lumière au bout du tunnel, du point de vue de la durabilité.

Partout dans le monde, des chimistes et des ingénieurs travaillent à développer des méthodes de production d'ammoniac durables. Certains tentent de créer de l'hydrogène sans utiliser de combustibles fossiles et d'alimenter la réaction avec des sources d'énergie renouvelables.

D'autres recherchent une alternative Haber-Bosch qui produit de l'ammoniac plus efficacement, avec moins d'émissions. Les chercheurs reconnaissent que même si les progrès ont été lents, cela en valait la peine.

Dans une interview accordée à Chemical and Engineering News en juin 2019, Douglas MacFarlane, électrochimiste à l'Université Monash, "l'ammoniac tel qu'il est produit aujourd'hui pour les engrais est en fait un produit fossile".

"La plupart de nos aliments proviennent d'engrais. Par conséquent, notre nourriture est effectivement un produit de combustible fossile. Et ce n'est pas durable", a-t-il expliqué.

Les chercheurs ont expérimenté l'utilisation d'énergies renouvelables et de matières premières pour créer le produit chimique lucratif dans des tailles modestes dans des usines d'ammoniac vert à travers le monde, notamment au Japon, en Angleterre, en Australie et aux États-Unis.

Ces entreprises utilisent principalement le procédé Haber-Bosch standard, mais elles produisent de l'hydrogène et alimentent les réactions en utilisant l'électrolyse de l'eau et des sources d'énergie alternatives plutôt que des combustibles fossiles.

Ces stratégies sont testées depuis l'an dernier dans une installation pilote du Fukushima Renewable Energy Institute de la société japonaise JGC. Ils se sont associés à l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) pour lancer l'usine de démonstration d'ammoniac vert dans le cadre d'un programme fédéral connu sous le nom de SIP Energy Carriers.

L'usine peut fonctionner à l'énergie solaire, électrolyse l'eau pour produire de l'hydrogène et effectue une réaction de type Haber-Bosch en utilisant un nouveau catalyseur au ruthénium créé par JGC et AIST.

Selon Mototaka Kai, chef de projet à l'usine, "l'avantage majeur de notre procédé est que l'hydrogène est produit à une pression beaucoup plus faible que le procédé conventionnel".

Selon Mototaka, la pression d'hydrogène est d'environ 5 MPa, soit environ 1/3 à 1/4 de celle d'une usine Haber-Bosch conventionnelle. Il y a deux avantages à cette pression réduite. La première est qu'il est plus sûr parce que la réaction se déroule à une pression plus faible.

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De plus, il utilise moins d'énergie pour pressuriser le système. L'usine fabrique actuellement 20 à 50 kg d'ammoniac par jour.

Une autre approche intéressante est développée par Siemens au Royaume-Uni en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Oxford, du Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni et de l'Université de Cardiff. Ce projet vise à faire fonctionner une usine de démonstration utilisant le procédé Haber-Bosch typique, alimentée par le vent.

Siemens vise d'abord à démontrer qu'il peut produire de l'ammoniac de manière durable et avec une mise à l'échelle rapide. La société considère également l'installation comme un terrain d'essai pour les avancées technologiques en cours, telles que la création de catalyseurs Haber-Bosch et les tests sur la combustion de l'ammoniac.

Jusqu'à présent, la stratégie a réussi.

La petite installation, logée dans des conteneurs d'expédition, utilise l'électricité éolienne pour alimenter une unité d'électrolyse de l'hydrogène, qui produit de l'hydrogène qui est utilisé pour créer de l'ammoniac. Cela pourrait être une solution potentielle pour résoudre l'un des problèmes majeurs des sources d'énergie renouvelables; elles sont, de par leur nature même, intermittentes.

Cependant, combiner les parcs éoliens avec la synthèse d'ammoniac pourrait être un très bon moyen de "stocker" l'énergie produite.

Selon Wilkinson, brûler de l'ammoniac fabriqué à partir de sources renouvelables pourrait être une solution. Outre la production d'engrais, Siemens et JGC s'intéressent à la production d'ammoniac vert car il peut être utilisé pour créer du carburant sans carbone.

L'ammoniac peut être transporté et stocké de la même manière que l'essence, et il est moins dangereux à manipuler que l'hydrogène gazeux, un autre carburant potentiellement sans carbone.

"L'ammoniac est ce que j'aime appeler une molécule de liaison", a expliqué Manthiram. "C'est utile comme engrais. C'est utile pour la nourriture. C'est utile pour le stockage de l'énergie."

Tout cela est très intéressant, mais ces entreprises utilisent toujours Haber-Bosch pour synthétiser le produit chimique, quelle que soit la manière dont elles ont l'intention d'utiliser l'ammoniac généré par leurs plantes vertes.

La réaction consiste à mélanger de l'hydrogène et de l'azote gazeux sur un catalyseur de fer, à des températures et des pressions élevées. Le processus est également assez inefficace.

Chaque tonne métrique d'ammoniac contient environ 5 MWh d'énergie. "Les centrales Haber-Bosch les meilleures et les plus efficaces fonctionnent à environ 10 MWh par tonne métrique d'ammoniac", a expliqué MacFarlane. "Nous ne sommes donc efficaces qu'à environ 50 %. Cela gaspille beaucoup d'énergie pour ce que vous obtenez."

Ainsi, si jamais l'ammoniac est considéré comme un substitut durable aux carburants conventionnels, une alternative au procédé Haver-Bosch doit d'abord être entièrement étoffée.

Mais, c'est un sujet pour une autre fois.

L'ammoniac a certainement des promesses en tant que carburant "vert" pour l'avenir. Il présente de nombreux avantages par rapport aux carburants existants et est largement disponible.

Cependant, il ne deviendra vraiment une alternative viable qu'une fois qu'un processus moins énergivore pour le synthétiser aura été trouvé. Mais, avec l'augmentation rapide des coûts des combustibles fossiles dans le monde, ce n'est peut-être qu'une question de temps avant qu'une solution ne soit développée rapidement.