La technologie plasma similaire à la foudre pour rendre l’ammoniac vert abordable

Le chemin vers une économie d’ammoniac vert

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

Comme l’ammoniac est un engrais important, sa production est actuellement une partie massive 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 énergivore.

Source : Angewandte Chemie

Cependant, la source de cet hydrogène affecte la quantité de pollution que peut causer la production d’ammoniac. Aujourd’hui, la plupart de l’hydrogène utilisé pour la production d’ammoniac provient de combustibles fossiles, ce qui rend l’ammoniac responsable de 1,3 % des émissions de carbone mondiales.

Idéalement, une économie de l’ammoniac devrait reposer 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/brun : produit à partir de combustibles fossiles.
• Ammoniac bleu : produit à partir de combustibles fossiles mais avec capture du carbone.
• Ammoniac rose (parfois également appelé ammoniac jaune) : produit à partir d’énergie nucléaire.
• Ammoniac turquoise : produit par pyrolyse du méthane. Cela décompose le méthane en hydrogène et en 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, l’utiliser pour remplacer les combustibles fossiles dans les transports et les industries est plutôt inutile, car cela ne change que le point où les combustibles fossiles sont consommés.

“L’industrie a faim d’ammoniac. Pour la dernière décennie, la communauté scientifique mondiale, y compris notre laboratoire, veut découvrir un moyen plus durable de produire de l’ammoniac qui ne repose pas sur les combustibles fossiles.

Pr. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et l’Institut Net Zero

C’est pourquoi de nouvelles découvertes qui changent complètement la façon dont l’ammoniac est produit, loin du procédé Haber-Bosch centenaire, pourraient être un facteur de changement.

Une telle innovation vient peut-être d’être faite par des chercheurs de l’Université de Sydney (Australie) et de l’Université de Zhejiang (Chine), qui utilisent le plasma pour produire de l’azote à partir de l’air. Ils ont publié leurs résultats dans Angewandte Chemie¹ sous le titre “Régulation des lacunes d’oxygène multifonctionnelles pour la conversion air-ammoniac à base de plasma”.

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 les voyages longue distance énergivores comme la navigation, ce que nous avons discuté en détail dans “La décarbonisation des voies de navigation mondiales grâce à l’ammoniac vert“.

Cela ferait également de l’ammoniac un bon candidat pour un stockage de plusieurs mois ou années, un problème de longue date pour équilibrer les réseaux énergétiques basés sur les énergies vertes, avec par exemple l’excédent d’énergie solaire en été ou pendant les semaines de grand vent utilisé pour produire de l’ammoniac excédentaire qui serait consommé pendant l’hiver ou les périodes de faible vent.

Problèmes de production d’ammoniac

Tant que la production d’ammoniac repose sur le procédé Haber-Bosch, ce changement vers un carburant plus vert peut prendre du temps.

La principale raison est que la production d’hydrogène vert est complexe et coûteuse, souvent nécessitant des métaux rares comme le platine, mais cela devrait changer grâce aux progrès de la nanotechnologie, comme l’utilisation de nanobâtonnets de nickel.

L’autre raison est que la production d’ammoniac avec de l’hydrogène signifie qu’il s’agit d’un processus en 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.

Tant que l’énergie verte est généralement plus intermittente et décentralisée, cela crée des coûts supplémentaires pour nécessiter une production d’hydrogène et d’ammoniac centralisée.

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

Pr. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et l’Institut Net Zero

Comment le plasma non thermique peut 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 les réactions indésirables dans les solutions contenant de l’eau. C’est pourquoi le plasma non thermique (NTP) est considéré, car le NTP est plus adapté aux réactions d’oxydation qu’à la réduction chimique.

Source : Angewandte Chemie

Les nitrates (NO₃⁻) et les nitrites (NO₂⁻) résultants ont une solubilité dans l’eau presque 40 000 fois supérieure à celle de N₂.

Ces méthodes sont prometteuses, mais nécessitent que l’azote et l’oxygène soient extraits de l’air et purifiés, ce qui augmente les coûts.

C’est pourquoi les approches où l’air est directement activé pour produire des NOx et les intermédiaires NOx résultants réduits en NH₄⁺ via une conversion électrochimique sont attractives.

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

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

Source : Angewandte Chemie

En utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS), les chercheurs ont pu étudier les structures cristallines 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 : 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, en 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 effectivement 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 fait d’une réaction chimique complexe et multiforme se produisant très rapidement, avec NO₂ se transformant en NH₃.

Source : Angewandte Chemie

Plus important encore, la réaction a présenté une efficacité faradique presque de 100 % à 300 mA, ce qui signifie que la plupart de l’électricité utilisée sont convertis en énergie chimique, ce qui en fait un ordre de grandeur plus efficace que les multiples étapes de l’électrolyse classique de l’eau (pour la production d’hydrogène) et de la conversion de l’azote en ammoniac.

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

Pr. PJ Cullen – Professeur à l’Université de Sydney et l’Institut Net Zero

Avancer

Dans l’ensemble, cette méthode démontre qu’il existe d’autres voies vers la production d’ammoniac qui pourraient entièrement contourner le procédé Haber-Bosch, et 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 de fer, le palladium étant un métal coûteux.

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

Pour la rendre viable économiquement, la composante électrolyseur produisant l’hydrogène devra encore être améliorée. Heureusement, des progrès sont réalisés dans la production d’hydrogène à l’aide de catalyseurs non nobles ou même catalyseurs auto-optimisants.

Il est donc probable que, à moyen terme, nous verrons la combinaison de différentes technologies dans une machine de production d’ammoniac commerciale, comme l’oxydation directe de l’azote avec du plasma à l’aide de cuivre et de fer, et l’électrolyse de l’eau à l’aide de métaux également peu coûteux.

Ces unités pourraient être installées directement sur les sites de production d’énergie verte, et la production d’ammoniac résultante stockée dans un réservoir relativement peu coûteux (par rapport à l’hydrogène), pour être transportée par pipeline, camion ou pétrolier.

Il s’agira probablement de sociétés capables d’intégrer verticalement la production d’énergie verte, la production d’ammoniac et le transport de l’ammoniac qui profiteront le plus de ces conceptions.

Société d’ammoniac

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon est une filiale du groupe Aker centrée sur les énergies vertes. Le groupe est un grand conglomérat norvégien avec un focus sur les énergies renouvelables et les entreprises maritimes/offshore.

Source : Aker

Aker Horizon est la société holding de plusieurs filiales, notamment l’hydrogène vert, les fermes éoliennes terrestres et en mer, et les fermes solaires. Cela inclut Mainstream Renewable Power, une société d’utilité publique avec 20,4 GW d’énergie renouvelable en développement en Afrique du Sud (12,3 GW) et d’autres pays (Asie, Amérique du Sud, Europe).

La société est notamment très active dans l’hydrogène et la production d’ammoniac vert, avec pour objectif de décarboniser la navigation arctique, ainsi que l’intérêt de centres de données.

Source : Aker

Aker n’est pas une société d’ammoniac vert pure, mais peut gérer l’intégration verticale complète de l’ammoniac vert, des éoliennes en mer aux générations d’hydrogène (pour l’instant) à la production d’ammoniac vert. Elle travaille également sur des projets tels que la valorisation des déchets en France, une usine de biomasse en Allemagne et la capture du carbone au Moyen-Orient (Arabie saoudite et Émirats arabes unis).

En mai 2025, Aker a examiné certaines réorganisations en raison des faibles prix dans le secteur des énergies vertes, essentiellement en cherchant à réacquérir complètement ses opérations de capture de carbone, et la réintégration d’AKH Holding (Mainstream Renewable Power, et les projets d’ammoniac vert de Narvik) dans Aker Horizon après une inscription distincte de certaines de ses actions.

Source : Aker

Cela en fait une bonne action pour les investisseurs qui cherchent une exposition à long terme au secteur des énergies vertes dans son ensemble, avec une forte position sur l’ammoniac vert, mais également d’autres énergies vertes, et une certaine diversification géographique à l’écart des 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 à base de plasma. Angewandte Chemie. 22 avril 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}