Le Japon veut décarboner à l’aide d’ammoniac

Avec les préoccupations liées au changement climatique à l’esprit, le monde cherche désespérément à atteindre une production nette de carbone nulle dès que possible. Alors que l’électrification directe devient populaire pour les voitures particulières ordinaires, elle n’est pas encore pratique pour les applications plus énergivores comme les avions ou la navigation intercontinentale. Ainsi, la chasse a été lancée pour des remplacements plus propres des combustibles fossiles conventionnels.

L’hydrogène est le plus couramment cité, souhaitable pour le fait qu’il brûle très proprement. Son seul produit de combustion principal est l’eau, bien que sa combustion puisse générer des oxydes d’azote lorsqu’elle est brûlée avec de l’air. Cependant, l’hydrogène n’a pas encore pris de l’ampleur, en grande partie en raison de problèmes liés au transport, au stockage et à la production.

Cependant, tout cela pourrait changer avec l’aide d’un produit chimique de variété de jardin : l’ammoniac. L’ammoniac s’impose désormais comme une solution alternative. Il a souvent été cité comme un moyen potentiel de stocker et de transporter l’hydrogène sous une forme chimique alternative, puisque sa formule se compose d’un atome d’azote et de trois atomes d’hydrogène. Cependant, plus récemment, l’ammoniac est considéré comme un carburant à part entière.

Voyons comment ce produit de nettoyage commun pourrait faire partie d’une nouvelle révolution énergétique.

Une combustion propre

Comme l’hydrogène, l’ammoniac est inflammable. Il ne contient pas non plus de carbone, il ne produit donc pas de dioxyde de carbone lors de la combustion. Son contenu énergétique en volume est bien meilleur, presque le double de celui de l’hydrogène, mais seulement un tiers de celui du diesel. Il est également beaucoup plus facile à stocker que l’hydrogène ; il est liquide à seulement -33°C, alors que l’hydrogène liquide doit être stocké à -253°C. De plus, l’ammoniac n’a pas le même problème de stockage que l’hydrogène, qui peut s’infiltrer à travers de minuscules interstices dans presque tous les matériaux, les endommageant souvent au cours du processus.

Schéma du procédé Haber-Bosch. L’étape de reformage à la vapeur est à l’origine des principales émissions de carbone. Source : par Palma et alCC-BY

Le souci est d’obtenir ce carburant proprement. Actuellement, l’ammoniac est fabriqué à l’aide du procédé Haber-Bosch, qui combine l’hydrogène et l’azote pour fabriquer de l’ammoniac. Les combustibles fossiles sont généralement utilisés comme source d’hydrogène. Dans un processus appelé reformage à la vapeur, le méthane du gaz naturel est transformé en hydrogène, mais le processus s’accompagne d’importantes émissions de dioxyde de carbone. En fait, la production d’ammoniac représente actuellement environ 1 % des émissions mondiales de carbone.

L’ammoniac vert est la solution, où l’hydrogène est plutôt fourni de manière plus propre. Cela implique généralement l’utilisation d’hydrogène qui est généré en divisant l’eau avec des sources d’énergie renouvelables comme l’énergie éolienne ou l’énergie solaire. Cela permet la production d’ammoniac avec beaucoup moins de dioxyde de carbone émis, ce qui ruinerait autrement son potentiel en tant que carburant plus propre.

Pour expédition

L’industrie du transport maritime est responsable de 2,5 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Les efforts visent depuis longtemps à réduire l’empreinte carbone des transports maritimes à tous les niveaux, et l’ammoniac pourrait être le dernier outil dans cette lutte.

« Porte-conteneurs » de Daniel Ramirez

Malheureusement, les propriétés de combustion uniques de l’ammoniac signifient qu’il ne s’agit pas d’un remplacement direct des carburants marins existants. Ceux-ci incluent généralement les diesels et les fiouls lourds utilisés pour faire fonctionner des moteurs alternatifs géants à basse vitesse, bien que le gaz naturel liquéfié devienne populaire comme alternative légèrement plus verte.

Ainsi, des efforts sont faits pour développer des moteurs marins pouvant utiliser l’ammoniac comme carburant. MAN a développé un moteur marin à deux temps qui fonctionne à l’ammoniac, et des plans sont déjà en place pour utiliser le moteur pour propulser des pétroliers ainsi que des vraquiers et des porte-conteneurs. La société travaille sur un ensemble de modifications pour permettre aux navires plus anciens de fonctionner également à l’ammoniac.

L’ammoniac présente également des défis uniques en dehors du moteur lui-même. Grâce à sa densité énergétique plus faible par rapport au diesel, un navire qui utiliserait classiquement un 1 000 m3 le réservoir de carburant aurait plutôt besoin de 2 755 m3 aller aussi loin en utilisant plutôt de l’ammoniac. Cependant, il bat toujours l’hydrogène ou les batteries comme options potentielles, ce qui nécessiterait 4 117 m3 et 14 000 m3 pour stocker respectivement la même énergie.

Comme pour la plupart des nouveaux carburants, il y a aussi le problème de l’infrastructure. Peu ou pas de ports proposent actuellement de l’ammoniac en vrac comme carburant, et il n’est pas vraiment pratique d’envoyer le compagnon de votre navire au supermarché local pour récupérer des milliers de bouteilles de produit de nettoyage pour faire fonctionner le moteur. Cependant, si les moteurs à ammoniac fonctionnent bien dans la pratique, il y a toutes les chances qu’ils se propagent et que l’industrie du transport maritime commence à pousser vers l’utilisation généralisée du carburant plus propre.

Pour les centrales électriques

Le Japon a une feuille de route sophistiquée pour adopter l’ammoniac comme carburant. Crédit : Ammoniaenergy.org

Le Japon étudie l’utilisation de l’ammoniac comme combustible de co-combustion pour les centrales électriques au charbon. L’intention est d’ajouter 20 % de teneur en ammoniac par pouvoir calorifique au combustible de ces usines afin de réduire les émissions de carbone. Comme pour de nombreux autres projets de carburants plus propres, commencer par un mélange est moins difficile sur le plan technologique et réduit également la pression sur les chaînes d’approvisionnement. La technologie sera testée en 2023, et on espère que le carburant mélangé à 20 % sera prêt pour une utilisation pratique d’ici 2025. À plus long terme, on espère qu’une combustion à 100 % d’ammoniac pourra être utilisée pour la production d’électricité, mais cet objectif est fixé pour 2040 ou au-delà.

Un carburant sans carbone pour la production d’électricité serait un outil utile pour soutenir les sources d’énergie renouvelables qui ne sont pas disponibles 24 heures sur 24. Cependant, la combustion de l’ammoniac crée toujours des oxydes d’azote et n’est donc pas aussi propre que des options telles que l’énergie solaire et éolienne.

L’utilisation d’ammoniac pour la production d’électricité augmentera considérablement la demande du Japon pour ce produit chimique. Le Japon n’a utilisé que 1,1 million de tonnes d’ammoniac en 2019. Pour atteindre l’objectif de 20 % de co-combustion avec l’ammoniac, fixé pour le milieu des années 2030, le Japon aurait besoin de 20 millions de tonnes d’ammoniac par an. C’est approximativement la quantité totale d’ammoniac actuellement commercialisée sur le marché mondial, donc simplement en acheter plus n’est pas une option.

Des plans sont en place pour augmenter jusqu’à 3 millions de tonnes dans la chaîne d’approvisionnement nationale d’ici 2030. Les intentions sont de porter ce chiffre à 30 millions de tonnes d’ici 2050. Une grande partie sera probablement importée de l’étranger, l’industrie explorant des options pour construire de nouveaux terminaux pour expédier des centaines de milliers de tonnes par an par voie maritime.

Regarder vers l’avenir

Si l’ammoniac doit devenir un carburant plus propre pour l’avenir, plusieurs dominos doivent tomber en sa faveur. Des installations de production massives doivent être déployées pour produire de l’ammoniac proprement et à partir de sources d’énergie renouvelables. Les infrastructures de stockage et d’expédition doivent suivre, et les performances du carburant doivent être confirmées dans le monde réel. Il devrait également être compétitif en termes de coûts avec les options d’énergie renouvelable comme l’électricité directe à partir de l’énergie solaire et éolienne, ce qui est un appel difficile dans l’espace de l’alimentation du réseau.

Cependant, les humains se sentent familiers et en sécurité lorsqu’il s’agit de brûler des combustibles pour produire de l’énergie, et les combustibles liquides présentent de grands aspects pratiques que les solutions alternatives n’ont pas encore égalés. L’ammoniac pourrait ainsi devenir une star dans la marche de l’humanité vers un avenir énergétique plus propre.

Photo de titre : « Osaka Japan » de Pedro Szekely