Plasma semblable à la foudre pour rendre l’ammoniac vert abordable

Le chemin vers une économie d’ammoniac vert

Ammoniac, ou NH₃, est considéré comme un excellent candidat potentiel pour remplacer le carburant liquide issu du pétrole et d’autres combustibles fossiles. Cela s’explique par le fait qu’il est produit à partir d’une ressource extrêmement abondante, l’azote atmosphérique (N₂), et qu’il ne nécessite pas nécessairement de pétrole ou de méthane pour sa production.

Comme l’ammoniac est un engrais important, sa production représente actuellement une part massive de l’industrie chimique, en faisant le deuxième produit chimique le plus produit au monde.

L’ammoniac est actuellement principalement produit par le procédé Haber-Bosch, combinant l’azote à l’hydrogène pour produire de l’ammoniac, en utilisant des pressions et des températures élevées, ce qui le rend intrinsèquement énergivore.

Source: Angewandte Chemie

Cependant, la source de cet hydrogène influence le degré de pollution de la production d’ammoniac. Aujourd’hui, la plupart de l’hydrogène utilisé pour la production d’ammoniac provient de combustibles fossiles, ce qui fait que l’ammoniac est responsable de 1,3 % des émissions mondiales de carbone.

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

• Ammoniac gris/marron: produit à partir de combustibles fossiles.
• Ammoniac bleu: produit à partir de combustibles fossiles + capture du carbone.
• Ammoniac rose (parfois appelé aussi ammoniac jaune): produit à partir d’énergie nucléaire.
• Ammoniac 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 comme les fibres de carbone.

Tant que l’ammoniac n’est pas principalement de l’ammoniac vert, l’utiliser pour remplacer les combustibles fossiles dans les transports et l’industrie est plutôt inutile, car cela ne fait que déplacer le point de consommation des combustibles fossiles.

“L’appétit de l’industrie pour l’ammoniac ne cesse de croître. Au cours de la dernière décennie, la communauté scientifique mondiale, y compris notre laboratoire, cherche à découvrir une méthode plus durable de production d’ammoniac qui ne dépend pas des combustibles fossiles.

Prof. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et au Net Zero Institute

C’est pourquoi de nouvelles découvertes qui changent complètement la façon dont l’ammoniac est produit, en s’éloignant du procédé Haber-Bosch séculaire, pourraient être une révolution.

Une telle innovation aurait pu être réalisée par des chercheurs de l’Université de Sydney (Australie) et de l’Université de Zhejiang (Chine), utilisant le plasma pour produire de l’azote à partir de l’air. Ils ont publié leurs résultats dans Angewandte Chemie¹ sous le titre “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Pourquoi l’ammoniac ?

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

La différence avec l’hydrogène est que l’ammoniac est une molécule beaucoup plus grande que H₂ et beaucoup plus stable. Cela rend son transport et son stockage beaucoup plus faciles. L’ammoniac est également presque 50 % plus dense en énergie que l’hydrogène liquide.

Source: Kleinman Center For Energy Policy

Cette densité énergétique et cette facilité de stockage font de l’ammoniac un candidat de premier plan pour une utilisation dans les transports, en particulier pour les déplacements longue distance très énergivores comme le transport maritime, sujet que nous avons détaillé dans “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia”.

Il ferait également de l’ammoniac un bon candidat pour un stockage d’un an ou d’un mois, un problème de longue date pour équilibrer les réseaux électriques dépendant des énergies vertes, avec, par exemple, le surplus d’énergie solaire en été ou pendant les semaines de vents forts utilisé pour produire un excédent d’ammoniac qui serait consommé durant l’hiver ou les saisons à faible vent.

Problèmes de la production d’ammoniac

Tant que la production d’ammoniac repose sur le procédé Haber-Bosch, cette transition vers un carburant plus vert 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 nanorods de nickel à la place.

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

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

Comme l’énergie verte est généralement plus intermittente et décentralisée, cela engendre des coûts supplémentaires pour exiger une production centralisée d’hydrogène et d’ammoniac.

“Actuellement, la production d’ammoniac nécessite une production centralisée et un transport longue distance du produit. Nous avons besoin d’un ‘ammoniac vert’ à faible coût, décentralisé et évolutif”

Prof. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et au 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 le procédé Haber-Bosch existent pour produire de l’ammoniac. L’idée générale est d’utiliser l’électricité pour oxyder l’azote, puis d’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 envisagé, car le NTP est plus adapté aux réactions d’oxydation qu’à la réduction chimique.

Source: Angewandte Chemie

Les nitrates (NO₃⁻) et nitrites (NO₂⁻) résultants ont une solubilité dans l’eau près de 40 000 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 où les intermédiaires NOx résultants sont réduits en NH₄⁺ via une conversion électrochimique sont attrayantes.

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 très réactives telles que les ions O⁻, les atomes d’oxygène et les molécules O₃ (ozone). Ces espèces d’oxygène réactives interagissent avec le Cu, entraînant une oxydation de surface.

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

Source: Angewandte Chemie

En utilisant la spectroscopie à dispersion d’énergie des rayons X (EDS), les chercheurs ont pu étudier les structures cristallines très complexes formées par ce processus. Les très petites tiges et les structures complexes ont augmenté la surface du matériau, en faisant un meilleur catalyseur.

Source: Angewandte Chemie

Électrocatalyse de l’ammoniac

Fe₂O₃ NPs/Cu a été utilisé 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.

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

Source: Angewandte Chemie

Ils ont analysé en détail le fonctionnement de la production d’ammoniac, et ont confirmé qu’il s’agit en réalité d’une réaction chimique complexe et multicouche se déroulant très rapidement, avec le NO₂ se transformant en NH₃.

Source: Angewandte Chemie

Plus important encore, la réaction a présenté une efficacité faradique quasi‑100 % à 300 mA, ce qui signifie que la majeure partie de l’électricité utilisée est convertie en énergie chimique, la rendant 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 azote‑ammoniac.

“Cette nouvelle approche est un processus en deux étapes, à savoir la combinaison du plasma et de l’électrolyse. Nous avons déjà rendu le composant plasma viable en termes d’efficacité énergétique et d’évolutivité.”

Prof. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et au Net Zero Institute

Perspectives d’avenir

Dans l’ensemble, cette méthode montre qu’il existe d’autres voies de production d’ammoniac qui pourraient contourner entièrement le procédé Haber-Bosch, et éliminer le besoin 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 le rendre économiquement viable, le composant électrolyseur produisant l’hydrogène devra encore être amélioré. Heureusement, des progrès dans la production d’hydrogène utilisant des catalyseurs non précédemment employés ou même des catalyseurs auto‑optimisants sont en cours.

Il est donc probable, à moyen terme, que nous voyions la combinaison de différentes technologies dans une machine commerciale de production 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 l’ammoniac produit stocké dans un réservoir relativement bon marché (comparé à l’hydrogène), pour être transporté par pipeline, camions ou méthaniers.

Ce seront 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 ces conceptions.

Entreprise d’ammoniac

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon est une filiale du groupe Aker centrée sur l’énergie verte. Le groupe est un grand conglomérat norvégien axé sur les énergies renouvelables et les activités maritimes/offshore.

Source: Aker

Aker Horizon est la société holding de plusieurs filiales, incluant l’hydrogène vert, les parcs éoliens onshore et offshore, ainsi que les fermes solaires. Cela comprend Mainstream Renewable Power, une société de services publics avec 20,4 GW d’énergie renouvelable en cours de développement 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 génération d’hydrogène et d’ammoniac vert, avec pour objectif de décarboniser le transport maritime arctique, ainsi que l’intérêt des centres de données.

Source: Aker

Aker n’est pas uniquement une entreprise d’ammoniac vert mais peut gérer l’intégration verticale complète de l’ammoniac vert, des éoliennes offshore à la génération d’hydrogène (pour l’instant) jusqu’à la production d’ammoniac vert. Elle travaille également sur des projets tels que le valorisation des déchets en énergie en France, une centrale à biomasse en Allemagne, et la capture du carbone au Moyen-Orient (Arabie Saoudite et Émirats Arabes Unis).

En mai 2025, Aker a envisagé une restructuration en raison des bas prix du secteur de l’énergie verte, cherchant essentiellement à reprendre entièrement ses activités de capture du carbone, et à réintégrer AKH Holding (Mainstream Renewable Power et les projets d’ammoniac vert de Narvik) dans Aker Horizon après une introduction en bourse séparée de certaines de ses actions.

Source: Aker

Cela en fait une bonne action pour les investisseurs cherchant 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 loin des actions nord‑américaines.

Étude référencée

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 avril 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}