À la recherche d’un vecteur d’énergie chimique approprié
Un candidat prometteur pour ce rôle est l’ammoniac ; une molécule d’ammoniac comprend un atome d’azote et trois atomes d’hydrogène (à titre de comparaison, une molécule de méthane a un atome de carbone et quatre atomes d’hydrogène). L’ammoniac peut être synthétisé à partir de matières premières que nous avons en abondance, à savoir l’eau et l’air, en utilisant des énergies renouvelables.
Ammonia, NH3
L’atmosphère terrestre est composée d’environ 78 % d’azote et celui-ci peut facilement être séparé de l’air. L’hydrogène peut être obtenu à partir de l’eau, via un processus appelé électrolyse. Une fois l’hydrogène et l’azote produits, ils peuvent être combinés dans une réaction standard de l’industrie appelée le processus Haber-Bosch pour produire de l’ammoniac. Si l’énergie renouvelable est utilisée pour alimenter ces processus, alors cette énergie se retrouve enfermée dans la molécule d’ammoniac, sans aucune émission directe de carbone.
La production d’ammoniac représente déjà 180 millions de tonnes/an et vaut 80 milliards d’euros
L’ammoniac, ou NH3 pour lui donner son nom chimique correct, est déjà un produit chimique important. La production mondiale annuelle actuelle est d’environ 180 millions de tonnes par an, avec une valeur marchande de marchandises d’environ 80 milliards d’euros par an.
À l’heure actuelle, plus de 80 % de cet ammoniac est utilisé dans l’industrie des engrais, mais il existe d’autres utilisations beaucoup plus larges dans le cadre de la transition énergétique. Il bénéficie de propriétés de stockage similaires à celles du gaz de pétrole liquéfié (GPL) dans la mesure où il se liquéfie à -33 degrés Celsius sous pression ambiante, et à environ 10 bars à température ambiante. Bien que l’ammoniac présente un risque de toxicité important, des équipements appropriés et des procédures de manipulation sûres ont été bien établis au cours de décennies de production à l’échelle industrielle.
L’ammoniac est produit en grandes quantités dans le monde entier pour les engrais agricoles, mais utilise actuellement du gaz naturel ou d’autres combustibles fossiles pour fournir à la fois la charge d’hydrogène et l’énergie nécessaire au processus de synthèse. Les usines de production d’ammoniac existantes sont un important émetteur de CO2, représentant environ 1,6 % des émissions mondiales actuelles.
L’hydrogène vert stimule le potentiel de l’ammoniac
Bien qu’il soit rentable pour les utilisations industrielles actuelles de l’ammoniac, l’utilisation de matières premières et de sources d’énergie fossiles signifie que l’ammoniac n’a pas encore joué de rôle en tant que vecteur énergétique – mais cela est en train de changer. En passant à l’hydrogène vert, c’est-à-dire à l’hydrogène produit à l’aide d’une énergie renouvelable via l’électrolyse de l’eau, les émissions de carbone liées à la production d’ammoniac peuvent être annulées.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Basé au Rutherford Appleton Laboratory au Royaume-Uni, le Siemens Green Ammonia Demonstrator rassemble toutes les technologies nécessaires à la démonstration du cycle énergétique complet de l’ammoniac. L’hydrogène vert est produit à l’aide d’un électrolyseur de 13 kilowatts (kW), produisant 2,4 mètres cubes normaux par heure (Nm3/h) d’hydrogène. L’azote est obtenu à partir d’une unité de séparation de l’air de 7 kW, qui exploite le principe de l’absorption à oscillation de pression pour produire 9 Nm3/h d’azote. L’électricité renouvelable est fournie par une éolienne de 20kW située sur le site d’essai.
L’hydrogène et l’azote sont combinés pour produire de l’ammoniac via une unité de synthèse Haber-Bosch construite sur mesure avec une capacité de 30kg d’ammoniac par jour. L’ammoniac est stocké sous forme de liquide sous pression dans un réservoir d’une capacité de 350 kg, puis utilisé pour alimenter un groupe électrogène alternatif à allumage par étincelle de 30 kWe. L’ensemble du système est géré par un système de contrôle Siemens PCS7 déployé sur mesure pour un fonctionnement sans surveillance.
Le but du démonstrateur est de montrer que non seulement ce procédé pourrait être utilisé pour réduire considérablement les émissions liées à la production d’ammoniac pour des utilisations conventionnelles, mais que l’ammoniac peut également être un vecteur pratique d’énergie hydrogène, réduisant davantage les émissions de CO2 dans l’ensemble de nos systèmes énergétiques en permettant le stockage d’énergie renouvelable à l’échelle.
La technologie de mise à l’échelle est déjà éprouvée
Un avantage particulier de l’ammoniac est que la technologie requise pour le déployer en tant que vecteur énergétique existe déjà à l’échelle requise : les procédés industriels de séparation de l’air pour produire de l’azote sont courants ; l’électrolyse de l’eau a été réalisée sur une base industrielle avant que le reformage du méthane à la vapeur ne devienne une source d’hydrogène moins coûteuse ; les réservoirs et les camions-citernes d’ammoniac à grande échelle sont en service courant depuis des décennies. Fritz Haber a remporté son prix Nobel pour la synthèse de l’ammoniac à partir de ses éléments en 1918 ; Carl Bosch a été reconnu pour ses efforts visant à développer ce processus à l’échelle industrielle avec un prix Nobel en 1931 ; et l’infrastructure pour soutenir l’industrie de l’ammoniac a été optimisée sur une base continue depuis.
Énergie chimique v Batteries
On me demande souvent quelle technologie de stockage est la « meilleure » solution pour l’énergie renouvelable, ma réponse est que nous devons déployer une gamme de technologies de stockage qui sont appropriées pour une application donnée. Les batteries ont un rôle important à jouer, mais un inconvénient est que le coût de stockage avec les batteries est linéaire : si vous avez besoin de deux fois la capacité, alors il faut deux batteries.
Lorsqu’il s’agit de stockage d’énergie chimique, vous pouvez d’abord découpler la puissance et l’énergie. Vous pouvez choisir la turbine à gaz pour fournir la puissance requise, puis la durée pendant laquelle vous voulez faire tourner ce moteur détermine la taille du réservoir dont vous avez besoin. Si vous voulez une grande capacité énergétique, il suffit d’agrandir le réservoir, ce qui est relativement bon marché – en particulier à grande échelle.
L’avenir de l’ammoniac
Pour stocker de grandes quantités d’énergie, les combustibles chimiques constituent un support dense en énergie et pratique – c’est pourquoi ils sont omniprésents aujourd’hui. Le défi avec les carburants que nous utilisons actuellement sont les émissions de carbone qui résultent de leur combustion. Une façon d’envisager l’ammoniac est de résoudre l’énigme du remplacement des hydrocarbures par quelque chose qui ne contient pas de carbone, tout en relevant les défis du stockage et de la distribution de l’hydrogène en vrac. L’un des aspects séduisants de l’ammoniac est qu’il existe aujourd’hui une industrie de l’ammoniac très bien établie.
De nombreuses études ont été menées sur notre futur système énergétique et, bien qu’elles soient utiles et informatives, il arrive un moment où il faut commencer à construire et à tester des systèmes afin de connaître les problèmes réels de leur déploiement. Et pour l’ammoniac en tant que vecteur d’énergie verte, je pense que ce moment est venu.
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Ian Wilkinson est directeur de programme chez Siemens Gas & Power
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