Énergie
La production d’ammoniac est extrêmement néfaste pour l’environnement – Des ingénieurs viennent de développer une méthode plus propre
Ajouter Securities.io à vos sources préférées sur Google
Ammoniac : du produit émetteur à une alternative moins carbonée
L’ammoniac est étudié comme vecteur énergétique pour des usages difficiles à électrifier, notamment certains transports et le stockage de longue durée. Il pourrait aussi transporter de l’hydrogène, récupéré ensuite par craquage. Sa toxicité impose toutefois des mesures de sécurité spécifiques.
La production conventionnelle repose principalement sur la combinaison d’hydrogène et d’azote à température et pression élevées par le procédé Haber-Bosch. Son empreinte carbone provient surtout de la production de l’hydrogène et de l’énergie utilisée, souvent d’origine fossile.
Source: Research Gate
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago (UIC), de l’Université Texas Tech et de General Ammonia Company ont optimisé une voie électrochimique utilisant le lithium et un donneur de protons tel que l’éthanol.
L’équipe avait déjà travaillé sur des grilles de cuivre électrifiées pour produire de l’ammoniac, ainsi que sur des procédés utilisant la lumière solaire et les nitrates des eaux usées. Ces approches antérieures ne sont pas toutes identiques à la synthèse à partir d’azote gazeux étudiée ici.
Une « symphonie » au lithium pour produire de l’ammoniac
La synthèse médiée par le lithium associe de l’azote gazeux, une électrode permettant le dépôt de lithium et un donneur de protons, par exemple un alcool.
Le mécanisme décrit comporte trois grandes étapes :
- L’électrodéposition du lithium à partir d’ions Li+. La modulation du courant vise notamment à stabiliser l’interface solide-électrolyte et les conditions de fonctionnement.
- La réaction du lithium avec l’azote, qui forme du nitrure de lithium.
- La protonation du nitrure de lithium, qui permet la formation d’ammoniac, NH3.
Source: ACS Publications
Les chercheurs parlent d’une « symphonie » pour décrire la coordination des étapes et la régénération des espèces dans les cycles réactionnels.
“Il y a deux boucles qui se produisent. L’une est la régénération de la source d’hydrogène et la seconde est la régénération du lithium. Il y a une symphonie dans cette réaction, due au processus cyclique.
Ce que nous avons fait, c’est comprendre cette symphonie de manière plus approfondie et essayer de la moduler de façon très efficace, afin de créer une résonance et de la faire avancer plus rapidement.” — Meenesh Singh, professeur associé en génie chimique à l’UIC.
L’optimisation de l’électrodéposition vise notamment à améliorer la sélectivité vers l’ammoniac plutôt que vers des réactions concurrentes.
Les chercheurs ont également étudié l’effet de plusieurs paramètres :
- L’augmentation de la pression d’azote jusqu’à 20 bars dans les conditions examinées.
- L’utilisation d’alcools comme donneurs de protons.
- Parmi les donneurs étudiés, le 1-butanol a donné les meilleurs résultats dans certaines conditions.
- L’eau s’est révélée moins efficace comme donneur dans ce système particulier. Cela ne permet pas de conclure qu’elle est inadéquate pour tous les procédés de synthèse d’ammoniac.
Ces résultats améliorent la synthèse médiée par le lithium par rapport à certaines configurations précédentes. Ils ne démontrent pas une supériorité industrielle générale sur Haber-Bosch, qui nécessiterait une comparaison complète à grande échelle.
Source: UIC Today
Les enjeux de la production d’ammoniac
Ammoniac vert
L’ammoniac pourrait contribuer à décarboner certains secteurs et servir de vecteur d’hydrogène. Nous avons abordé cette possibilité dans «Décarboner le transport maritime grâce à l’ammoniac vert».
Le bilan dépend notamment de la source d’électricité, de la production d’hydrogène, du transport et de l’utilisation finale. L’ammoniac n’est pas automatiquement peu émetteur.
Les appellations de couleur, qui ne sont pas entièrement normalisées, distinguent notamment :
- L’ammoniac gris ou brun, produit à partir de ressources fossiles sans captage important du CO2.
- L’ammoniac bleu, issu de ressources fossiles avec captage et stockage d’une partie du CO2. Les émissions résiduelles et les fuites de méthane restent importantes pour le bilan.
- L’ammoniac rose, associé à de l’hydrogène produit avec de l’énergie nucléaire. Le terme « jaune » peut avoir d’autres significations selon les classifications.
- L’ammoniac turquoise, associé à de l’hydrogène issu de la pyrolyse du méthane, qui produit aussi du carbone solide. L’impact dépend de l’énergie, des fuites et du devenir de ce carbone.
L’ammoniac sert surtout à fabriquer des engrais et divers produits chimiques. La production actuelle repose largement sur le gaz naturel et le charbon.
Selon la feuille de route 2021 de l’Agence internationale de l’énergie, sa production représente environ 2% de la consommation finale d’énergie mondiale et 1,3% des émissions de CO2 du système énergétique. Il ne faut pas en déduire qu’elle dépasse tous les autres secteurs industriels hormis le ciment.
Les besoins en chaleur et en hydrogène expliquent une grande partie de cette empreinte. Le résultat dépend fortement des matières premières et de l’efficacité des installations.
Industrialiser la synthèse médiée par le lithium
Le lithium est destiné à être régénéré dans le cycle. Les pertes, la stabilité des électrodes et le renouvellement des composants doivent néanmoins être évalués en fonctionnement prolongé.
Une bonne efficacité pourrait réduire les coûts, mais le résultat dépend du prix de l’électricité, des consommables, des équipements et du passage à l’échelle.
Les chercheurs de l’UIC ont présenté une estimation économique conditionnelle à un déploiement à grande échelle :
environ 450 dollars américains par tonne, soit une baisse estimée d’environ 60% par rapport à certaines approches antérieures au lithium ou méthodes vertes proposées. Cette estimation n’est pas un prix commercial établi.
Meenesh Singh, professeur associé en génie chimique à l’UIC.
D’autres projets cherchent aussi à réduire le coût de production, par exemple le système modulaire de FuelPositive, pour lequel l’entreprise a annoncé un objectif historique de 560 dollars canadiens par tonne. AmmPower a, de son côté, évoqué environ 360 dollars américains par tonne pour l’électricité seule. Les devises et périmètres de coût diffèrent, empêchant une comparaison directe.
Nous présentons ces sociétés et d’autres acteurs dans «L’autre vecteur d’hydrogène : cinq sociétés actives dans l’ammoniac vert».
La compétitivité de l’estimation de 450 dollars par tonne dépendrait des prix régionaux de l’ammoniac et des coûts réels de l’installation.
Les prix de l’ammoniac peuvent varier fortement avec ceux du gaz naturel, comme l’ont montré les perturbations de 2022 liées notamment à la guerre en Ukraine.
Source: BusinessAnalitIQ
Les chercheurs ont annoncé une collaboration avec General Ammonia Co. pour tester et développer le procédé dans la région de Chicago. Le bureau de transfert technologique de l’UIC a déposé une demande de brevet. Il s’agissait d’un projet pilote, non d’une production commerciale déjà généralisée.
Sociétés actives dans l’ammoniac moins carboné
1. General Ammonia Company
General Ammonia Company, partenaire des chercheurs, n’était pas cotée. L’entreprise indiquait rechercher des investissements pour développer sa technologie.
Un investissement privé éventuel dépendrait de l’éligibilité de l’investisseur, des conditions proposées et d’une analyse des risques. Le projet pilote ne garantit pas une réussite commerciale.
2. NitroVolt
NitroVolt est une société danoise qui développe une voie électrochimique de production d’ammoniac utilisant le lithium. Elle présentait sa propriété intellectuelle comme faisant l’objet de démarches de protection.
Source: NitroVolt
Son approche associe la synthèse médiée par le lithium à un système à flux continu. Les performances à grande échelle restent à démontrer.
Les fondements scientifiques présentés par la société renvoient notamment aux publications suivantes :
- Science:
- Nature: A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements
Source: NitroVolt
En mars 2024, la société a annoncé un investissement de démarrage apporté par le fonds de capital-risque BackingMinds.
3. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive développe des systèmes modulaires de production d’ammoniac destinés notamment aux exploitations agricoles. Les chiffres historiques présentés pour le FP300 indiquaient une capacité cible de 300 kilogrammes par jour, soit environ 100 tonnes par an, et un prix annoncé de 950 000 dollars canadiens. Ces valeurs ne prouvent ni une production continue effective ni un prix inchangé.
Source: Fuel Positive
La surface agricole desservie dépend des besoins en engrais. De même, affirmer qu’une surface fixe de 1,5 acre de panneaux solaires suffit en permanence serait excessif : production solaire, stockage et alimentation électrique doivent être dimensionnés pour le site.
Source: Fuel Positive
FuelPositive a annoncé un coût cible historique de 560 dollars canadiens par tonne. Ce chiffre dépend d’hypothèses et ne constitue pas un coût réel garanti.
Les calendriers de livraison et de montée en production étaient des objectifs. En avril 2024, la société a annoncé le début de l’expédition du premier système ; plus tard dans l’année, elle poursuivait les démarches d’activation. Les intentions d’achat ou réservations ne doivent pas être assimilées à des ventes définitivement exécutées.
La modularité pourrait faciliter une production décentralisée et une fabrication standardisée, sous réserve de performances et de coûts suffisants.
L’entreprise a annoncé un partenariat avec Cipher Neutron, développeur d’électrolyseurs utilisant une architecture sans métaux du groupe du platine.
Une éventuelle intégration de la synthèse médiée par le lithium serait une possibilité à étudier, et non un partenariat ou une compatibilité technique déjà démontrés.
Au-delà des engrais, l’ammoniac pourrait servir à certaines applications énergétiques agricoles. Cela dépend du développement d’équipements adaptés, de la sécurité et des autorisations.
Le marché des engrais pourrait soutenir les premiers déploiements de systèmes décentralisés, sans garantir l’émergence d’une économie de l’ammoniac à grande échelle.
4. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower a également présenté des systèmes modulaires, dont un module visant quatre tonnes d’ammoniac par jour. Les applications envisagées comprennent les grandes exploitations agricoles et certains usages industriels. Les capacités annoncées ne sont pas nécessairement des résultats de production commerciale.
Source: AmmPower
La société évoquait un potentiel commercial à court terme de 30 millions de dollars et des perspectives concernant 690 unités dans 52 pays. Un ensemble de prospects ne constitue pas un carnet de commandes ferme.
L’estimation de 360 dollars par tonne concernait l’électricité, et non le coût complet de l’ammoniac.
La modularité pourrait raccourcir certains délais. Les comparaisons avec des projets de trois à quatre ans dépendent toutefois du périmètre, des autorisations et des conditions du site.
La société a également annoncé un projet visant à transformer des déchets en ammoniac avec CTEC Energy Sales USA. Il s’agit d’un développement à distinguer d’une installation déjà opérationnelle.
Une intégration future de LiMAS dans un système modulaire resterait à démontrer sur les plans technique et économique.
Pour développer le transport d’hydrogène sous forme d’ammoniac, elle a aussi annoncé une structure dédiée au craquage de l’ammoniac en hydrogène, avec une recherche de financements distincts.
Le positionnement annoncé vise notamment de grands clients agricoles et industriels, dont les capacités financières et les besoins diffèrent.
Le développement dépendra des performances, du financement, de la demande et des politiques énergétiques. Aucune croissance rapide n’est garantie.
