L'ammoniac joue jusqu'à présent surtout un rôle dans la production d'engrais. Mais à l'avenir, ce gaz pourrait également jouer un rôle clé dans la transition énergétique en tant que porteur d'hydrogène efficace et substitut respectueux du climat aux combustibles fossiles, selon l'Institut Fraunhofer pour la microtechnique et les microsystèmes IMM, car il peut être produit sans CO2 à partir d'azote et d'hydrogène. De plus, il offre de nombreux avantages pour le transport et le stockage.
« L'ammoniac est un grand porteur de potentiel pour une transformation durable de notre système énergétique », explique Dr. Gunther Kolb, directeur du département Energie et directeur adjoint de l'Institut Fraunhofer IMM à Mayence.
Comment réussir un transport à faible perte ?
Selon lui, le défi de la transition énergétique ne réside pas seulement dans la production suffisante d'énergie sans émissions, mais aussi dans le transport à faibles pertes vers des lieux de consommation moins énergétiques - car l'électricité verte peut être produite en grandes quantités notamment dans des sites très venteux ou ensoleillés, par exemple au Chili ou en Australie.
L'utilisation de l'ammoniac pourrait donc apporter certains avantages. Selon l'IMM, l'hydrogène vert H2 – comme option de stockage pour l'électricité verte – peut être transformé en ammoniac NH3 en combinaison avec l'azote N2 dans un rapport de 3:1, et sous cette forme, il peut être stocké et transporté avec beaucoup moins de pertes.
L'ammoniac reste liquide à la pression atmosphérique et déjà sous une pression de seulement 7,5 bar ou à un refroidissement à environ -33 degrés Celsius. En revanche, l'hydrogène pur doit être conduit sous vide et
refroidi à -253 degrés Celsius pour être liquéfié – et cela nécessite une forte consommation d'énergie.
De plus, l'ammoniac a une densité énergétique volumétrique plus élevée que l'hydrogène liquide, ce qui signifie qu'il peut transporter plus d'énergie par unité de volume.
« Pour la production de l'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote, on ne nécessite qu'environ cinq pour cent d'énergie supplémentaire par rapport à la production d'hydrogène à partir d'électricité verte », explique Kolb et ajoute : « Et tant la production que la décomposition de l'ammoniac sont totalement exemptes de CO2. »
Il souligne que l'ammoniac est toxique ainsi qu'inflammable et est donc considéré comme une matière dangereuse nécessitant des précautions de sécurité appropriées. Cependant, environ 25 millions de tonnes par an sont déjà transportées en toute sécurité par bateau et par rail, principalement pour la production d'engrais.
Pour une utilisation dans l'industrie chimique ou en tant que porteur d'énergie, l'ammoniac doit selon l'IMM être décomposé en ses composants azote et hydrogène, c'est-à-dire « craqué », avec le moins de perte d'énergie possible.
Le gaz est conduit pour la décomposition dans un réacteur à environ 600 degrés Celsius sur un catalyseur à base de nickel inorganique avec une grande surface intérieure.
« Actuellement, les premières grandes installations d'électrolyse sont construites dans des endroits riches en électricité verte comme l'Australie ou le Chili, pour produire de l'ammoniac. Côté européen, une des premières grandes installations de craquage voit le jour par exemple à Rotterdam », selon Kolb.
Réseau central d'hydrogène en construction
L'hydrogène récupéré doit être distribué par pipeline vers les lieux d'application. Mais les
acheteurs intéressés, surtout les petites entreprises, n'ont souvent pas accès aux pipelines d'hydrogène. En Allemagne, l'infrastructure de l'hydrogène est actuellement en construction.
D'ici 2032, un réseau central d'hydrogène avec une longueur totale de tuyauterie d'environ 9 000 kilomètres doit être créé – principalement par reconversion des conduites de gaz naturel. Cependant, selon l'IMM, de grandes zones resteront non connectées à une fourniture d'hydrogène même après cela.
Approvisionnement local par technologie de craquage décentralisée
C'est pourquoi l'Institut Fraunhofer pour la microtechnique et les microsystèmes IMM s'engage dans plusieurs projets de recherche sur la question d'une technologie de craquage d'ammoniac décentralisée, compacte, efficace et surtout décentralisée.
Selon Kolb, la technologie de craquage décentralisée devrait combler ce vide d'approvisionnement pour des quantités nécessaires comprises entre 100 kilogrammes et 10 tonnes d'hydrogène par jour de manière efficace et sans émissions.
« Dans le cadre du projet Ammonpaktor soutenu par la Rhénanie-Palatinat, nous avons déjà développé en collaboration avec l'Institut Fraunhofer pour les mathématiques technologiques et économiques ITWM un craqueur d'ammoniac compact qui, grâce à notre technologie innovante d'échangeurs de chaleur à plaques et une combustion intégrée des gaz résiduels utilisés pour le nettoyage par adsorption par changement de pression dans le processus de reconversion, atteint un rendement de 90 % – contre 70 % pour les technologies conventionnelles », explique Kolb.
Aucun combustible supplémentaire ou électricité n'est requis pour le craquage : l'énergie pour chauffer le réacteur est générée directement dans le réacteur de séparation à l'aide des flux de gaz résiduels. Selon les chercheurs, le réacteur Ammonpaktor est également environ 90 % plus petit que les réacteurs
conventionnels – avantageux pour les applications mobiles et avec des contraintes d'espace.
Un autre avantage : grâce à l'utilisation des gaz résiduels, la technologie devrait également avoir une empreinte carbone inférieure aux concepts de réacteurs chauffés électriquement.
La différence est également faite par l'échangeur de chaleur à plaques innovant du Fraunhofer IMM, recouvert d'un catalyseur.
« Au lieu d'être généralement chauffé à une température externe d'environ 900 degrés Celsius dans un système de tuyaux énergétiquement intense, la chaleur nécessaire pour la décomposition est générée directement là où elle est nécessaire dans notre technologie. Notre installation a donc un meilleur transfert thermique. Cela signifie une économie d'énergie énorme. »
Un prototype terminé se trouve déjà sur le site de Fraunhofer IMM à Mayence, qui devrait permettre une production d'hydrogène d'environ 75 kilos par jour – ce qui correspond à peu près à la capacité quotidienne d'une pile à combustible de 50 kW.
« Avec cette quantité, on pourrait déjà alimenter par exemple une petite station de ravitaillement en hydrogène », déclare Kolb.
Projets de recherche
Et quel est le prochain objectif de développement ? La mise à l'échelle pour une production journalière allant jusqu'à dix tonnes, notamment dans le cadre du projet maritime européen de cinq ans Gamma ainsi que du projet phare Fraunhofer AmmonVektor.
Ce dernier aborde toute la chaîne de valeur de l'ammoniac vert, pour rendre l'hydrogène disponible de manière décentralisée et aussi économique que possible. Le projet de trois ans a démarré début 2024 et est dirigé par l'Institut Fraunhofer pour les techniques de l'environnement, de la sécurité et de l'énergie Umsicht.
