Réacteur plasma‑électrochimique inspiré par la foudre pourrait répondre à nos besoins en ammoniaque avec une empreinte carbone nulle

Trouver la voie vers une économie d’ammoniac

À mesure que les énergies renouvelables progressent, certaines limites deviennent plus claires. L’intermittence des renouvelables nécessite un stockage d’énergie, qui pourrait être des batteries, comme nous l’avons exploré dans notre article « L’avenir du stockage d’énergie — Batteries à l’échelle des services publics ».

Cependant, certaines formes de consommation d’énergie résistent fortement à l’électrification. Par exemple, le transport maritime longue distance ou le fret aérien.

Pour ces applications, un carburant liquide dense est préférable et probablement l’option la plus probable pour le transport aérien. Ainsi, pour remplacer les combustibles fossiles, l’ammoniac a été envisagé comme une alternative solide. L’ammoniac est également un composé clé dans la production d’engrais et de produits chimiques tels que les explosifs.

Actuellement, l’ammoniac représente 1,8 % de la consommation énergétique mondiale et des émissions de carbone, et c’est avant même d’essayer de l’utiliser pour le transport. Il est produit aujourd’hui en brûlant du méthane, créant ce que l’on appelle l’ammoniac gris. Une meilleure alternative serait l’ammoniac vert, produit à partir d’énergies renouvelables.

Le problème est que, pour l’instant, l’ammoniac vert est beaucoup plus cher que les carburants à base de pétrole ou l’ammoniac gris. En grande partie, cela est dû au fait que l’ammoniac est produit en utilisant de l’hydrogène, qui est lui-même coûteux à produire par électrolyse.

Des alternatives comme la catalyse médiée par le lithium pourraient être possibles et moins chères, mais peut‑être toujours pas suffisamment bon marché.

Mais il pourrait exister une alternative à l’hydrogène, du moins selon des chercheurs de l’Université d’État de Buffalo (New York) et de l’Université d’Auckland (Nouvelle‑Zélande). Ils ont récemment publié leurs résultats sur la production d’ammoniac avec du plasma dans le Journal of the American Chemical Society sous le titre « Contrôle des voies de réaction des réactifs mixtes NOxHy en synthèse d’ammoniac plasma‑électrochimique¹ ».

Les nombreuses voies de production d’ammoniac

L’azote (N₂) est très abondant sur Terre, constituant 78 % de l’atmosphère. Mais pour être utile aux plantes ou comme produit chimique, nous en avons besoin sous forme d’ammoniac (NH₃) ou de nitrate (NO₃). Ajouter ces atomes d’hydrogène à l’atome d’azote est un processus très énergivore.

Une façon de le faire est via des bactéries spéciales, appelées bactéries fixatrices d’azote. C’est l’une des plus grandes sources d’azote naturel (100–300 téra‑grammes d’azote par an à l’échelle mondiale), mais généralement insuffisante pour l’agriculture intensive.

Comme mentionné, une autre consiste à utiliser de l’hydrogène (H₂), mais produire de l’hydrogène vert est coûteux.

Il existe toutefois une troisième façon de produire de l’ammoniac, qui se produit parfois dans la nature. Lorsqu’un éclair frappe, l’intensité du courant électrique décompose le N₂, créant plusieurs formes d’oxydes d’azote.

Source: Britannica

Dans la nature, ces oxydes d’azote sont ensuite convertis en ammoniac par des bactéries. Cela ne représente qu’une petite partie de la production naturelle d’ammoniac, dans la fourchette de 3 à 10 téra‑grammes. C’est quelque chose qui pourrait être reproduit artificiellement, contournant totalement le besoin d’hydrogène.

Plasma artificiel remplaçant la foudre

Les chercheurs ont injecté de l’air dans un réacteur à plasma, un récipient avec une électrode et un tube en verre. Les décharges de plasma reproduisent l’effet de la foudre, créant un mélange complexe d’oxydes d’azote dans la chambre de réaction.

Source: ACS Publication

Ces gaz mélangés sont ensuite envoyés à un réacteur catalytique contenant un alliage cuivre‑palladium structuré comme une mousse. Ce catalyseur a pour rôle d’absorber d’abord les oxydes d’azote de l’air résiduel, puis de remplacer les bactéries qui, dans la nature, auraient converti les oxydes en ammoniac.

Affiner la catalyse

La deuxième étape de la transformation des oxydes d’azote en ammoniac n’est pas du tout simple.

« Lorsque l’énergie du plasma ou un éclair active l’azote, vous générez une soupe de composés d’oxydes d’azote. Convertir simultanément, dans notre cas, jusqu’à huit composés chimiques différents en ammoniac est incroyablement difficile. »
Xiaoli Ge – Chercheur postdoctoral à l’Université de Buffalo

Cela signifie qu’il ne s’agit pas seulement de 8 réactions chimiques nécessaires pour transformer les oxydes en ammoniac, mais en réalité de beaucoup plus d’étapes intermédiaires, chacune pouvant créer un goulot d’étranglement et réduire l’efficacité globale du système.

C’est également un problème car les oxydes d’azote sont quelque peu polluants, et toute production massive d’ammoniac avec cette méthode doit contenir le moins possible d’oxydes d’azote résiduels.

Ainsi, les chercheurs ont dû créer une série de catalyseurs bimetalliques qui ont ensuite été affinés pour cibler « l’adsorption optimale et la conversion de l’intermédiaire limitant dans la voie NOx-vers-NH3 ».

Ils ont utilisé un processus mathématique appelé théorie des graphes pour cartographier tous les différents chemins de réaction. Ainsi, ils pouvaient identifier dès le départ où se trouvaient les goulets d’étranglement et comment améliorer l’efficacité de conversion.

Ce faisant, ils ont découvert que la plupart des composés d’oxydes d’azote doivent passer par le monoxyde d’azote ou l’amine comme étape intermédiaire avant de devenir de l’ammoniac. Ainsi, ils ont créé un catalyseur qui se lie favorablement à ces deux composés.

Mise à l’échelle

Le design finalisé a atteint un taux de production d’ammoniac de 81,2 mg/h/cm². La chambre à plasma et le catalyseur cuivre‑palladium sont restés stables après plus de 1 000 heures de fonctionnement à un courant appliqué de 2 ampères.

L’équipe de recherche examine maintenant l’étape suivante pour mettre à l’échelle leur réacteur expérimental, en envisageant à la fois une startup et la concession de licences de la technologie à des partenaires industriels. L’Université de Buffalo a également déposé une demande de brevet pour le réacteur.

Contrairement à la production actuelle basée sur les combustibles fossiles, cette production d’ammoniac à base de plasma présenterait quelques avantages clés :

• Étant entièrement alimentée par l’électricité pour la génération du plasma, elle peut être alimentée à 100 % par de l’énergie verte.
• Elle pourrait être intégrée dans un conteneur de taille moyenne et connectée à des panneaux solaires, ne nécessitant pas l’échelle massive des usines d’ammoniac actuelles.
• Des progrès supplémentaires en science des catalyseurs pourraient aider à réduire les coûts du système, ainsi que la baisse continue des coûts de l’énergie verte, notamment solaire.

« Vous pouvez imaginer nos réacteurs dans quelque chose comme un conteneur d’expédition de taille moyenne avec des panneaux solaires sur le toit. Cela pourrait alors être placé n’importe où dans le monde et générer de l’ammoniac à la demande pour cette région. »

C’est un avantage très excitant de notre système, et cela nous permettra de produire de l’ammoniac pour les régions sous‑développées avec un accès limité au procédé Haber‑Bosch.

Chris Li – Professeur adjoint de chimie

Potentiellement, explorer d’autres options ne nécessitant pas de palladium coûteux, comme un bioréacteur contenant les bonnes bactéries, pourrait également être une option pour un développement ultérieur, mais il pourrait être difficile de mettre à l’échelle le volume nécessaire pour que l’ammoniac devienne une source de carburant mondiale.

Investir dans l’ammoniac

Nous avons déjà couvert quelques possibilités d’investissement dans l’ammoniac vert dans des articles précédents, ainsi que la science qui le sous-tend, notamment « The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks » et « Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia ».

Cependant, concernant l’émergence de ce nouveau processus de production d’ammoniac à base de plasma, une action plus pertinente à investir pourrait être une société minière de palladium, car toute production à grande échelle aurait besoin d’un volume massif du catalyseur utilisé par les chercheurs.

Le palladium a été principalement produit en 2023 par la Russie et l’Afrique du Sud, suivis du Canada et du Zimbabwe.

Source: Statista

Et, bien sûr, l’investissement direct dans le palladium, sous forme de pièces ou de lingots, est également possible auprès des vendeurs de métaux précieux.

Source: US State Mint

Les prix du palladium ont été très volatils ces dernières années, avec une forte hausse des prix en conséquence de la guerre en Ukraine et de l’importance de l’approvisionnement russe sur ce marché. Ils sont depuis retombés.

Source: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

De loin la plus grande entreprise axée sur le palladium et le platine, Sibanye Stillwater (SBSW ), est un leader de son secteur. C’est également le plus grand producteur mondial de rhodium.

En plus de ces métaux, elle produit également d’autres métaux du groupe du platine, tels que l’iridium et le ruthénium. En grande partie, cela s’explique par le fait que les métaux du groupe du platine (PGM) ont tendance à être trouvés et extraits ensemble dans les mêmes minerais.

Stillwater

En septembre 2024, Sibanye Stillwater a annoncé qu’elle allait restructurer sa mine Montana Stillwater, réduisant la production de cette mine de 45 % pour réduire les coûts. La mine, qui contient plus de palladium que de platine, a souffert des faibles prix du palladium.

Cela a entraîné une charge de dépréciation massive de 435 M$, provoquant une perte pour l’entreprise au premier semestre 2024.

Cela en ferait également un actif dormant précieux au cas où le palladium deviendrait un “métal énergétique” important pour produire massivement de l’ammoniac avec du plasma.

Il convient également de noter que les prix actuels couvrent à peine les coûts de production pour la plupart des régions riches en platine, constituant ainsi un plancher pour l’industrie avant la fermeture des mines.

Source: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater diversifie actuellement son activité, passant d’une société minière pure de PGM à l’entrée sur les marchés de l’or et des métaux pour batteries, notamment avec un projet d’extraction de lithium en Finlande.

Source: Sibanye Stillwater

The company also has a presence in uranium mining with the Beisa uranium project in South Africa. Elle l’a récemment vendu à Neo Energy en échange d’une participation de 40 % dans Neo Energy, ainsi que des redevances sur tout l’uranium vendu, avec des paiements plafonnés à 5 $ par livre, selon le prix spot de l’uranium.

« La vente du puits Beatrix 4 et du projet d’uranium Beisa s’inscrit dans la stratégie de Sibanye‑Stillwater visant à libérer de la valeur de nos actifs uranium. »
Neal Froneman – PDG de Sibanye‑Stillwater

Dans l’ensemble, Sibanye‑Stillwater est la plus grande société minière internationale de PGM au monde, et ses actionnaires bénéficieraient grandement du passage d’une partie du secteur de l’énergie à l’hydrogène ou à l’ammoniac comme carburant de transport. En effet, presque toutes les technologies possibles dans ce segment nécessitent du platine, du palladium ou du rhodium pour l’électrolyse de l’hydrogène, la production d’ammoniac ou les piles à combustible, en raison de la physique fondamentale des réactions catalytiques de l’hydrogène qui requièrent ces métaux spéciaux.

Elle se développe également dans l’énergie à faible émission de carbone, du lithium à l’uranium, ce qui en fait l’une des sociétés minières les plus susceptibles de bénéficier de la transition vers une économie verte alimentée par les renouvelables et l’hydrogène/ammoniac.

Référence de l’étude :

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Contrôle des voies de réaction des réactifs mixtes NOxHy en synthèse d’ammoniac plasma‑électrochimique. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}