Un plasma semblable à la foudre pour rendre l'ammoniac vert abordable

La voie vers une économie verte de l'ammoniac

L'ammoniac, ou NH₃, a été considéré comme un excellent candidat potentiel pour remplacer les carburants liquides fabriqués à partir de pétrole et d'autres combustibles fossiles. En effet, il est fabriqué à partir d'une ressource extrêmement abondante, l'azote atmosphérique (N₂), et n’a pas nécessairement besoin de pétrole ou de méthane pour sa production.

L’ammoniac étant un engrais important, sa production représente actuellement une part importante de l’industrie chimique, ce qui en fait le deuxième produit chimique le plus produit au monde.

L'ammoniac est actuellement principalement produit par le procédé Haber-Bosch, qui combine l'azote et l'hydrogène pour produire de l'ammoniac, en utilisant une pression et des températures élevées, ce qui le rend intrinsèquement gourmand en énergie.

Source: Chimie appliquée

Cependant, la source de cet hydrogène influence le degré de pollution de la production d'ammoniac. Aujourd'hui, la majeure partie de l'hydrogène utilisé pour la production d'ammoniac provient de combustibles fossiles. rendant l’ammoniac responsable de 1.3 % des émissions mondiales de carbone.

Idéalement, une économie de l’ammoniac reposerait sur ce que l’on appelle l’ammoniac vert généré à partir d’énergies renouvelables. Cela le distingue de autres types d'ammoniac:

• Ammoniac gris/brun: produit à partir de combustibles fossiles.
• Ammoniac bleu: produit à partir d’énergies fossiles mais avec captage du carbone.
• Ammoniaque rose (parfois aussi appelé ammoniac jaune) : produit à partir de l’énergie nucléaire.
• Ammoniaque turquoise: produit à partir de la pyrolyse du méthane. Cela décompose le méthane en hydrogène et carbone solide, l’hydrogène étant ensuite converti en ammoniac. Le carbone solide peut être stocké ou utilisé pour des applications telles que les fibres de carbone.

Tant que l’ammoniac n’est pas principalement de l’ammoniac vert, son utilisation pour remplacer les combustibles fossiles dans les transports et les industries est plutôt inutile, car cela ne fait que modifier le point où les combustibles fossiles sont consommés.

L'appétit de l'industrie pour l'ammoniac ne cesse de croître. Depuis dix ans, la communauté scientifique mondiale, dont notre laboratoire, cherche à découvrir un moyen plus durable de produire de l'ammoniac, sans recourir aux combustibles fossiles.

Pr. P.J. Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et le Net Zero Institute

C’est pourquoi de nouvelles découvertes modifiant complètement la manière dont l’ammoniac est produit, en s’éloignant du procédé Haber-Bosch vieux de plusieurs siècles, pourraient changer la donne.

Une telle innovation pourrait bien avoir été mise au point par des chercheurs de l'Université de Sydney (Australie) et de l'Université du Zhejiang (Chine), utilisant le plasma pour produire de l'azote à partir de l'air. Ils ont publié leurs résultats dans Angewandte Chemie.¹ sous le titre "Régulation des lacunes d'oxygène multifonctionnelles pour la conversion air-ammoniac par plasma ».

Pourquoi l'ammoniac ?

Si l’ammoniac est essentiellement de l’hydrogène transformé, pourquoi ne pas utiliser l’hydrogène directement ?

La différence avec l'hydrogène est que l'ammoniac est une molécule beaucoup plus grosse que l'H.₂ et beaucoup plus stable. Cela facilite grandement son transport et son stockage. L’ammoniac est également près de 50 % plus dense en énergie que l’hydrogène liquide.

Source: Centre Kleinman pour la politique énergétique

Cette densité énergétique et ce stockage plus facile font de l'ammoniac un candidat de choix pour une utilisation dans les transports, en particulier les voyages longue distance gourmands en énergie comme le transport maritime, un sujet que nous avons abordé en détail dans «Décarbonisation des voies de navigation mondiales grâce à l'ammoniac vert ».

Cela ferait également de l'ammoniac un bon candidat pour un stockage annuel ou mensuel, un problème de longue date pour équilibrer les réseaux énergétiques dépendant des énergies vertes, avec, par exemple, le surplus d'énergie solaire en été ou pendant les semaines de vent fort utilisé pour produire un surplus d'ammoniac qui serait consommé pendant l'hiver ou les saisons de vent faible.

Problèmes liés à la production d'ammoniac

Tant que la production d’ammoniac dépendra de Haber-Bosch, ce passage à un carburant plus écologique pourrait prendre du temps.

La principale raison est que la production d’hydrogène vert est complexe et coûteuse, nécessitant souvent des métaux rares comme le platine, bien que cela soit susceptible de changer grâce aux progrès de la nanotechnologie, comme l'utilisation de nanotiges de nickel à la place.

L’autre raison est que la production d’ammoniac avec de l’hydrogène implique un processus en plusieurs étapes, chaque étape nécessitant un investissement en capital et réduisant le rendement énergétique total de l’ensemble du processus de production :

• L’énergie verte doit d’abord être produite à l’aide de technologies solaires, éoliennes ou hydrauliques.
• Cette électricité est ensuite transportée vers un électrolyseur produisant de l’hydrogène.
• L’hydrogène est ensuite utilisé pour la production d’ammoniac.

L’énergie verte étant généralement plus intermittente et décentralisée, cela crée des coûts supplémentaires nécessitant une production centralisée d’hydrogène et d’ammoniac.

Actuellement, la production d'ammoniac nécessite une production centralisée et un transport longue distance. Nous avons besoin d'un ammoniac vert, peu coûteux, décentralisé et évolutif.

Pr. P.J. Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et le Net Zero Institute

Comment le plasma non thermique pourrait révolutionner l'ammoniac vert

Qu'est-ce que le plasma non thermique ?

D'autres méthodes que la méthode Haber-Bosch existent pour produire de l'ammoniac. Le principe général consiste à utiliser l'électricité pour oxyder l'azote, puis à ajouter des atomes d'hydrogène (réaction de réduction de l'azote – eNRR).

Cependant, ces méthodes sont limitées par la faible solubilité de l'azote et par d'autres réactions indésirables dans les solutions contenant de l'eau. C'est pourquoi le plasma non thermique (NTP) est privilégié, car il est plus adapté aux réactions d'oxydation qu'à la réduction chimique.

Source: Chimie appliquée

Le nitrate (NO₃⁻) et le nitrite (NO₂⁻) résultants ont une solubilité dans l’eau près de 40,000 XNUMX fois supérieure à celle du N₂.

Ces méthodes sont prometteuses, mais nécessitent l’extraction et la purification de l’azote et de l’oxygène de l’air, ce qui augmente les coûts.

C'est pourquoi les approches où l'air est directement activé pour produire du NOx et le NO résultantx les intermédiaires réduits en NH₄⁺ par conversion électrochimique sont intéressants.

Catalyseur cuivre-fer

Les chercheurs ont utilisé une nanogrille de cuivre (P-Cu), dans laquelle une atmosphère de plasma d'oxygène a été utilisée pour créer des défauts (CuxO/Cu) et des espèces hautement réactives telles que les ions O⁻, les atomes O et les molécules O₃ (ozone). Ces espèces réactives de l'oxygène interagissent avec le Cu, provoquant une oxydation superficielle.

Ensuite, l’ajout d’atomes de fer a créé des ponts Fe–O–Cu stables sur la surface.

Source: Chimie appliquée

Grâce à la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS), les chercheurs ont pu étudier les structures cristallines extrêmement complexes formées par ce processus. Les très petites tiges et les structures complexes ont augmenté la surface du matériau, ce qui en fait un meilleur catalyseur.

Source: Chimie appliquée

Électrocatalyse de l'ammoniac

Les nanoparticules de Fe₂O₃/Cu ont été utilisées comme cathode pour la production d'ammoniac à partir d'azote et d'eau, contrôlant directement à la fois l'oxydation de l'azote et l'électrolyse de l'eau en hydrogène.

Des tests ont prouvé que l’introduction de Fe₂O₃ sur le cuivre améliore efficacement l’activité électrocatalytique.

Source: Chimie appliquée

Ils ont analysé en détail le fonctionnement de la production d'ammoniac et ont confirmé qu'il s'agit en fait d'une réaction chimique complexe à plusieurs niveaux se produisant très rapidement, sans NO₂ se transformant en NH₃.

Source: Chimie appliquée

Plus important encore, la réaction avait une efficacité faradique de presque 100 % à 300 mA, ce qui signifie que la majeure partie de l'électricité utilisée est convertie en énergie chimique, ce qui la rend d'un ordre de grandeur plus efficace que les multiples étapes de l'électrolyse classique de l'eau (pour la production d'hydrogène) puis de la conversion de l'azote en ammoniac.

Cette nouvelle approche repose sur un procédé en deux étapes, combinant plasma et électrolyse. Nous avons déjà rendu le composant plasma viable en termes d'efficacité énergétique et d'évolutivité.

Pr. P.J. Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et le Net Zero Institute

Aller de l'avant

Dans l’ensemble, cette méthode démontre qu’il existe d’autres voies vers la production d’ammoniac qui pourraient contourner entièrement le procédé Haber-Bosch et la nécessité de produire séparément de l’hydrogène vert en premier lieu.

Cela représente également une amélioration par rapport à une version précédente de cette technologie, qui devait utiliser un catalyseur cuivre-palladium au lieu du fer, le palladium étant un métal coûteux.

Cette étude s’est principalement concentrée sur le développement d’un catalyseur efficace pour l’oxydation de l’azote directement à partir d’air non filtré et raffiné.

Pour que cela soit économiquement viable, le composant électrolyseur produisant l'hydrogène devra encore être amélioré. Heureusement, les progrès production d'hydrogène à l'aide de catalyseurs non utilisés auparavant ou encore catalyseurs auto-optimisés est en cours de réalisation.

Il est donc fort probable qu'à moyen terme, nous assisterons à la combinaison de différentes technologies dans une machine de production commerciale d'ammoniac, comme l'oxydation directe de l'azote avec du plasma utilisant du cuivre et du fer, et l'électrolyse de l'eau utilisant des métaux tout aussi bon marché.

Ces unités pourraient être installées directement sur les sites de production d’énergie verte, et la production d’ammoniac qui en résulterait serait stockée dans un réservoir relativement bon marché (comparé à l’hydrogène), pour être expédiée par pipeline, camions ou camions-citernes.

Ce sont très probablement les entreprises capables d’intégrer verticalement la production d’énergie verte, la production d’ammoniac et le transport de l’ammoniac qui bénéficieront le plus de telles conceptions.

Société d'ammoniac

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon est une filiale du groupe Aker, spécialisée dans les énergies vertes. Ce grand conglomérat norvégien se concentre sur les énergies renouvelables et les activités marines et offshore.

Source: Aker

Aker Horizon est la société holding de plusieurs filiales, notamment des sociétés d'hydrogène vert, des parcs éoliens terrestres et offshore, ainsi que des parcs solaires. Parmi elles figure Mainstream Renewable Power, une entreprise de services publics qui développe 20.4 GW d'énergie renouvelable en Afrique du Sud (12.3 GW) et dans d'autres pays (Asie, Amérique du Sud, Europe).

L'entreprise est notamment très active dans la production d'hydrogène et d'ammoniac vert, avec pour objectif de décarboner le transport maritime dans l'Arctique, ainsi que dans l'intérêt des centres de données.

Source: Aker

Aker n'est pas une entreprise spécialisée dans l'ammoniac vert uniquement, mais peut gérer l'intégration verticale complète de ce produit, des éoliennes offshore à la production d'hydrogène (pour l'instant). Elle travaille également sur des projets tels que la valorisation énergétique des déchets en France, une centrale biomasse en Allemagne et le captage du carbone au Moyen-Orient (Arabie saoudite et Émirats arabes unis).

En mai 2025, Aker envisage une restructuration en raison des bas prix dans le secteur de l'énergie verte, cherchant essentiellement à racheter entièrement ses opérations de capture du carbone, et la réintégration d'AKH Holding (Mainstream Renewable Power et les projets d'ammoniac vert de Narvik) dans Aker Horizon après une cotation séparée de certaines de ses actions.

Source: Aker

Cela en fait une bonne action pour les investisseurs recherchant une exposition à long terme au secteur de l'énergie verte dans son ensemble, avec un positionnement fort sur l'ammoniac vert, mais aussi sur d'autres énergies vertes, et une certaine diversification géographique par rapport aux actions nord-américaines.

Étude référencée

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Régulation des lacunes d'oxygène multifonctionnelles pour la conversion air-ammoniac par plasma. Angewandte Chemie. 22 Avril 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}