L'ammoniac, carburant du futur : enjeux, avantages et défis pour la transition énergétique

L'ammoniac comme carburant attire de plus en plus l'attention dans le contexte de la transition énergétique mondiale. Alors que l'humanité cherche à réduire les émissions de CO₂ et à abandonner les combustibles fossiles, les secteurs industriels, le transport et la production d'électricité ont besoin de sources d'énergie stables et puissantes. Sur cette toile de fond, l'ammoniac est de plus en plus discuté comme alternative potentielle au pétrole, au charbon et même à l'hydrogène.

L'ammoniac (NH₃) est un produit chimique essentiel et un engrais de longue date, dont la production mondiale atteint des centaines de millions de tonnes par an. Mais il est désormais envisagé comme vecteur d'hydrogène, carburant décarboné et composant clé de l'énergie du futur. Sa principale force : lors de sa combustion, il ne contient pas de carbone et ne génère donc pas de CO₂ directement.

Contrairement à l'hydrogène, dont le stockage et le transport sont complexes, l'ammoniac bénéficie déjà d'une infrastructure mondiale de stockage, de logistique portuaire et de commerce international. Cela en fait un choix attractif pour les pays désireux d'importer de l'énergie " verte " sous forme de carburant chimique.

Cependant, cette perspective s'accompagne de questions importantes :

• La production de l'ammoniac est-elle vraiment écologique ?
• Est-il dangereux à stocker ?
• Peut-on l'utiliser efficacement dans les moteurs et turbines ?
• L'ammoniac peut-il réellement remplacer l'hydrogène ?

Explorons comment sont produits l'ammoniac bleu et vert, ses différences avec l'hydrogène, les technologies de stockage et les risques qui pourraient freiner son adoption massive.

Pourquoi l'ammoniac revient-il sur le devant de la scène comme carburant ?

L'intérêt pour l'ammoniac comme source d'énergie n'est pas nouveau. Des essais dans les moteurs remontent au XXe siècle, surtout lors des crises pétrolières. Mais à l'époque, la technologie était limitée et le pétrole bon marché rendait les alternatives peu rentables.

Aujourd'hui, la situation a évolué pour trois raisons principales :

1. La décarbonation mondiale : Les pays visent la neutralité carbone et l'industrie cherche à réduire ses émissions de CO₂. L'ammoniac, ne contenant pas de carbone, ne produit pas de CO₂ à la combustion, ce qui en fait un candidat crédible pour un carburant sans carbone.
2. Les défis de l'hydrogène : Bien que prometteur, l'hydrogène nécessite soit des pressions extrêmes, soit des températures cryogéniques pour le stockage. L'ammoniac peut servir de vecteur d'hydrogène plus pratique, car il est plus facile à stocker et à transporter sous forme liquide dans des conditions modérées.
3. L'infrastructure existante : Les usines, réservoirs, méthaniers et terminaux portuaires pour l'ammoniac existent déjà, abaissant la barrière d'entrée vers un nouveau modèle énergétique.

De plus, l'ammoniac offre une densité énergétique volumique supérieure à celle de l'hydrogène comprimé - un atout déterminant pour le transport maritime, l'industrie lourde et les turbines à gaz.

Malgré ces avantages, l'ammoniac n'est pas exempt de défauts : il est toxique, présente des risques spécifiques de stockage et peut générer des oxydes d'azote (NOₓ) lors de la combustion, nécessitant des systèmes d'épuration.

La question centrale reste donc : sa production est-elle écologique et rationnelle ?

Comment l'ammoniac est-il produit : gris, bleu, vert

Pour évaluer l'ammoniac comme carburant du futur, il faut comprendre son origine. L'ammoniac n'est pas une source d'énergie primaire, mais un vecteur : son impact environnemental dépend donc de sa méthode de production.

Ammoniac gris

La majorité de l'ammoniac est produite par le procédé Haber-Bosch, où l'azote de l'air est combiné à l'hydrogène sous haute pression et température. Problème : l'hydrogène provient généralement du gaz naturel par vaporeformage du méthane, générant d'importantes émissions de CO₂. Ce procédé produit l'ammoniac gris, responsable de 1 à 2 % des émissions mondiales de CO₂. Utilisé comme carburant, son bénéfice climatique serait discutable.

Ammoniac bleu : définition et enjeux

L'ammoniac bleu est issu du même procédé, mais en capturant et stockant le CO₂ (technologie CCS - Carbon Capture and Storage). Les émissions ne disparaissent pas totalement, mais sont nettement réduites. Cette technologie, considérée comme une étape intermédiaire, permet de valoriser les ressources gazières existantes tout en diminuant l'empreinte carbone. Mais ses limites sont :

• un taux de capture du CO₂ inférieur à 100 % ;
• la nécessité d'infrastructures de transport et de stockage du CO₂ ;
• une dépendance persistante aux énergies fossiles.

Ammoniac vert : production sans carbone

L'avenir réside dans l'ammoniac vert, produit à partir d'hydrogène issu de l'électrolyse de l'eau alimentée par des énergies renouvelables (éolien, solaire, hydraulique). Si l'électricité est totalement " verte ", la production d'ammoniac n'entraîne quasiment aucune émission de CO₂, ouvrant la voie à un carburant réellement décarboné.

Cependant, plusieurs défis persistent :

• l'électrolyse nécessite beaucoup d'énergie ;
• l'ammoniac vert reste bien plus cher que l'ammoniac traditionnel ;
• le besoin d'investissements massifs dans les renouvelables.

Malgré tout, de nombreux pays investissent déjà dans l'exportation d'ammoniac vert, considéré comme une forme " emballée " d'énergie renouvelable.

Ammoniac ou hydrogène : quels avantages ?

La question " ammoniac ou hydrogène " revient souvent, car l'ammoniac, composé d'azote et d'hydrogène, ne concurrence pas l'hydrogène mais pourrait en être une forme de stockage et de transport plus commode.

Les limites de l'hydrogène pur

L'hydrogène est un gaz léger et énergétique, mais il pose de lourds défis :

• stockage sous pression jusqu'à 700 bar ;
• refroidissement cryogénique à −253°C ;
• perméation facile à travers les matériaux ;
• infrastructures de stockage et transport quasi inexistantes.

Cela rend la logistique coûteuse et complexe, d'où la recherche de solutions chimiques alternatives pour stocker l'hydrogène.

Pour approfondir les défis de l'hydrogène, consultez notre analyse détaillée : L'énergie hydrogène : avancées, infrastructures et futur durable.

Pourquoi l'ammoniac est-il plus pratique ?

L'ammoniac contient 17,6 % d'hydrogène en masse et :

• se liquéfie à −33°C sous pression atmosphérique ;
• se stocke à température ambiante sous pression modérée ;
• dispose déjà d'une infrastructure mondiale de stockage et de transport.

Il peut ainsi être transporté par navires-citernes, trains, camions ou pipelines, abaissant le seuil d'entrée pour le commerce international d'énergie " verte ".

Deux modèles sont envisageables :

1. Combustion directe de l'ammoniac dans moteurs et turbines
2. Décomposition de l'ammoniac en hydrogène et azote pour utilisation ultérieure de l'hydrogène

Dans ce dernier cas, l'ammoniac devient un excellent vecteur d'hydrogène.

Densité énergétique volumique

L'ammoniac liquide a une densité énergétique volumique bien supérieure à celle de l'hydrogène comprimé, ce qui est primordial pour :

• le transport maritime ;
• l'industrie lourde ;
• les turbines à gaz ;
• les systèmes énergétiques isolés.

C'est pourquoi l'ammoniac est sérieusement envisagé comme alternative au fioul lourd et au GNL dans la marine marchande.

Toutefois, ses avantages ne gomment pas ses inconvénients : toxicité, odeur âcre, exigences sévères de sécurité et émissions potentielles de NOₓ lors de la combustion.

En résumé, l'ammoniac n'est pas un " super-hydrogène " mais un compromis entre facilité logistique et risques chimiques.

Stockage et transport de l'ammoniac : infrastructures et sécurité

L'un des principaux atouts de l'ammoniac comme carburant est l'existence d'une infrastructure opérationnelle. Contrairement à l'hydrogène, tout n'est pas à construire de zéro.

Comment stocker l'ammoniac ?

L'ammoniac se stocke de deux façons :

• Liquide refroidi à environ −33°C et pression atmosphérique ;
• Compressé à température ambiante et pression modérée.

C'est bien plus simple que le stockage d'hydrogène à −253°C ou 700 bar. Les terminaux chimiques sont déjà équipés de réservoirs adaptés, comparables à ceux pour le propane ou le GNL.

Transport

L'ammoniac est transporté depuis des décennies par :

• navires-citernes ;
• wagons-citernes ;
• camions-citernes ;
• pipelines.

Un avantage crucial à l'heure du basculement énergétique mondial : les pays exportateurs d'ammoniac vert peuvent utiliser la logistique existante, moyennant une adaptation aux normes énergétiques.

Sécurité du stockage

Mais l'ammoniac est toxique. À fortes concentrations, il peut irriter les voies respiratoires et causer des brûlures. Sa sécurité de stockage est donc un enjeu majeur pour l'énergie.

Principaux risques :

• fuites dans les terminaux ou navires ;
• formation de nuages toxiques lors d'accidents ;
• exigences strictes en matière de sécurité industrielle.

Son odeur très forte permet toutefois de détecter rapidement les fuites, et l'industrie chimique a accumulé des décennies d'expertise en manipulation sécurisée.

Nouveaux défis

Si l'ammoniac se généralise comme carburant, les volumes en circulation augmenteront drastiquement, impliquant :

• le renforcement des normes de stockage ;
• la modernisation des infrastructures portuaires ;
• le développement de nouveaux systèmes de détection de fuites ;
• la formation obligatoire du personnel.

L'avantage d'infrastructure est réel, mais il nécessite une adaptation massive aux exigences énergétiques.

Où l'ammoniac est-il déjà utilisé comme carburant ?

Bien que la généralisation de l'ammoniac comme carburant n'ait pas encore eu lieu, des projets pilotes sont en cours dans plusieurs secteurs clés, montrant que ce n'est plus une simple idée théorique.

Transport maritime

Le secteur maritime est l'un des plus prometteurs pour les carburants ammoniac. Il est difficile à électrifier et fait face à un durcissement des réglementations environnementales. L'ammoniac y présente plusieurs atouts :

• haute densité énergétique volumique ;
• stockage dans de grands réservoirs ;
• absence d'émissions directes de CO₂.

De grands chantiers navals testent déjà des moteurs fonctionnant à l'ammoniac pur ou en mélange. Les premiers navires commerciaux à l'ammoniac pourraient voir le jour dans les prochaines années.

Turbines à gaz et centrales électriques

L'ammoniac est aussi étudié comme carburant pour turbines à gaz. Certains énergéticiens ont testé la combustion partielle ou totale d'ammoniac dans des turbines.

Les axes de recherche majeurs :

• stabilisation de la combustion ;
• réduction des NOₓ ;
• adaptation des chambres de combustion.

À terme, l'ammoniac pourrait permettre une production d'électricité sans émission directe de CO₂.

Industrie lourde

L'industrie lourde (sidérurgie, chimie) a besoin de chaleur à haute température. L'ammoniac peut remplacer le charbon ou le gaz naturel dans ces procédés.

Décomposition en hydrogène

Certains projets misent sur la décomposition de l'ammoniac en hydrogène et azote, l'hydrogène étant ensuite utilisé dans des piles à combustible ou d'autres processus industriels. Cette stratégie est particulièrement pertinente pour les pays qui importent de l'ammoniac vert et extraient l'hydrogène sur place.

Malgré ces avancées, le déploiement à grande échelle reste limité par les coûts et les enjeux environnementaux.

Conséquences environnementales et émissions de CO₂

L'atout majeur de l'ammoniac est l'absence de carbone dans sa molécule : il ne génère pas de CO₂ à la combustion, le rendant attrayant comme carburant décarboné pour l'énergie et le transport.

Mais la réalité est plus complexe.

Émissions lors de la production

Si l'ammoniac est produit à partir de gaz naturel (ammoniac gris), l'empreinte carbone reste élevée : il ne fait que déplacer les émissions du point d'utilisation à la production. L'ammoniac bleu réduit ces émissions grâce à la capture du CO₂, mais ne règle pas totalement le problème. Seul l'ammoniac vert, obtenu à partir d'électricité renouvelable, permet réellement un cycle bas carbone.

La performance environnementale de l'ammoniac dépend donc entièrement de son mode de production.

Oxydes d'azote (NOₓ)

La combustion de l'ammoniac peut générer des NOₓ (NO et NO₂), contribuant au smog et aux pluies acides. Pour limiter ces émissions, on utilise :

• des régimes de combustion spécifiques ;
• des catalyseurs ;
• des systèmes de réduction catalytique sélective.

Ces solutions technologiques, efficaces mais coûteuses, alourdissent l'investissement initial.

Fuites potentielles

L'ammoniac est toxique et, avec la hausse des volumes stockés et transportés, le risque d'accidents augmente. Même s'il se décompose rapidement dans l'atmosphère et n'est pas un gaz à effet de serre classique, les fuites peuvent mettre en danger les populations et les écosystèmes locaux.

Analyse du cycle de vie

L'évaluation du cycle complet (" well-to-power ") doit prendre en compte :

• la source de l'hydrogène ;
• la consommation d'énergie pour la synthèse ;
• les pertes lors du transport ;
• le rendement de la combustion ou de la décomposition.

Seule une analyse globale permet de juger si l'ammoniac réduit effectivement les émissions dans un modèle énergétique donné.

En somme, l'ammoniac peut contribuer à la décarbonation, mais seulement si sa production devient verte et les émissions de NOₓ sont strictement contrôlées.

Risque et questions de sécurité de l'ammoniac en énergie

Malgré ses atouts techniques, les risques liés à l'ammoniac constituent le principal obstacle à son adoption généralisée comme carburant.

Toxicité

L'ammoniac est une substance toxique, susceptible :

• d'irriter les voies respiratoires ;
• de provoquer des brûlures chimiques ;
• d'entraîner de graves conséquences en cas d'inhalation.

En cas de fuite, il forme un nuage dense pouvant se propager sur de longues distances - un défi dans les ports et zones urbaines, qui exige des mesures strictes.

Néanmoins, l'industrie possède une solide expérience, des normes internationales de stockage et des systèmes d'intervention d'urgence.

Formation de NOₓ lors de la combustion

Même sans émettre de CO₂, l'ammoniac peut générer des NOₓ, nécessitant :

• de nouvelles conceptions de chambres de combustion ;
• des catalyseurs de neutralisation ;
• une surveillance constante des émissions.

La technologie évolue, mais elle reste plus coûteuse que les carburants traditionnels.

Risques économiques

L'ammoniac vert demeure cher. Sa production de masse suppose :

• une électricité renouvelable à bas coût ;
• de grandes installations d'électrolyse ;
• la modernisation des usines Haber-Bosch.

Sans subventions ni régulation carbone, il ne rivalise pas encore économiquement avec les énergies fossiles.

Évolutivité des infrastructures

Une généralisation de l'ammoniac comme carburant multiplierait les volumes en circulation, augmentant :

• la pression sur les ports ;
• les exigences de sécurité ;
• les besoins d'assurance et de régulation.

Tout accident majeur pourrait durablement entacher la confiance dans la technologie.

En résumé, l'ammoniac n'est pas une solution idéale, mais un compromis entre stockage facile, absence de carbone et toxicité. Son avenir dépendra de la capacité des technologies à le " verdir " et à garantir une utilisation sûre.

Conclusion

L'ammoniac comme carburant n'est plus une idée marginale, mais un véritable axe de la transition énergétique. Il réunit plusieurs avantages stratégiques : absence de carbone dans la molécule, infrastructure mondiale existante, rôle de vecteur d'hydrogène.

Cependant, ce n'est pas une solution " magique " : son impact environnemental dépend étroitement de la méthode de production. L'ammoniac gris ne fait que déplacer les émissions de CO₂, le bleu les réduit partiellement, seul l'ammoniac vert, issu de renouvelables, peut s'intégrer à une énergie réellement décarbonée.

Techniquement, l'ammoniac sort du laboratoire : moteurs marins, turbines à gaz et installations industrielles sont en phase de test. Mais les défis subsistent : toxicité, contrôle des NOₓ, coût du " vert " et adaptation des infrastructures.

L'ammoniac ne remplacera sans doute pas totalement l'hydrogène ou l'électricité, mais il occupera une niche - industrie lourde, transport maritime, commerce international d'énergie verte.

Son avenir dépendra de la chimie, de l'économie, des régulations et du rythme de déploiement des renouvelables. Mais une chose est certaine : il joue déjà un rôle bien plus important dans la transition énergétique qu'il y a dix ans.