Le carburant à l’ammoniac offre de grands avantages mais nécessite une action prudente, selon une étude

L’ammoniac, composant principal de nombreux engrais, pourrait jouer un rôle clé dans un système de carburant sans carbone en tant que moyen pratique de transporter et de stocker de l’hydrogène propre. Le produit chimique, composé d’hydrogène et d’azote (NH₃), peut également être lui-même brûlé comme combustible sans carbone. Cependant, de nouvelles recherches menées par l’Université de Princeton montrent que même si l’ammoniac ne constitue pas une source de pollution par le carbone, son utilisation généralisée dans le secteur de l’énergie pourrait poser un risque grave pour le cycle de l’azote et le climat sans précautions techniques appropriées.

Publiant leurs conclusions le 6 novembre dans PNAS, l’équipe interdisciplinaire de 12 chercheurs a découvert qu’une économie d’ammoniac bien conçue pourrait aider le monde à atteindre ses objectifs de décarbonation et à garantir un avenir énergétique durable. Le document s’intitule « Minimiser les impacts de l’économie de l’ammoniac sur le cycle de l’azote et le climat ».

En revanche, une économie mal gérée de l’ammoniac pourrait augmenter les émissions d’oxyde d’azote (N).₂O), un gaz à effet de serre à longue durée de vie environ 300 fois plus puissant que le CO₂ et un contributeur majeur à l’amincissement de la couche d’ozone stratosphérique. Cela pourrait entraîner des émissions importantes d’oxydes d’azote (NO_X), une classe de polluants qui contribuent à la formation du smog et des pluies acides. Et cela pourrait directement libérer des émissions fugitives d’ammoniac dans l’environnement, formant également des polluants atmosphériques, ayant un impact sur la qualité de l’eau et stressant les écosystèmes en perturbant le cycle mondial de l’azote.

Heureusement, les chercheurs ont découvert que les impacts négatifs potentiels d’une économie d’ammoniac peuvent être minimisés grâce à des pratiques d’ingénierie proactives. Ils ont fait valoir que le moment était venu de commencer à se préparer sérieusement à une économie de l’ammoniac, en s’attaquant aux points de friction potentiels liés à l’ammoniac avant son déploiement à grande échelle.

“Nous savons qu’une économie d’ammoniac d’une certaine ampleur est probable”, a déclaré Amilcare Porporato, directeur de recherche, professeur Thomas J. Wu de génie civil et environnemental et du High Meadows Environmental Institute. “Et si nous sommes proactifs et tournés vers l’avenir dans notre approche, une économie de l’ammoniac pourrait être une bonne chose. Mais nous ne pouvons pas nous permettre de prendre les risques liés à l’ammoniac à la légère. Nous ne pouvons pas nous permettre d’être négligents.”

Transformer l’ammoniac de l’agriculture en énergie

À mesure que l’intérêt pour l’hydrogène en tant que carburant sans carbone augmente, une réalité gênante s’accroît également : il est notoirement difficile à stocker et à transporter sur de longues distances. La minuscule molécule doit être stockée soit à des températures inférieures à -253° Celsius, soit à des pressions pouvant atteindre 700 fois la pression atmosphérique, des conditions impossibles à transporter à grande échelle et sujettes aux fuites.

L’ammoniac, en revanche, est beaucoup plus facile à liquéfier, à transporter et à stocker, et peut être déplacé de la même manière que les réservoirs de propane.

De plus, un procédé établi de conversion de l’hydrogène en ammoniac existe depuis le début du 20e siècle. Connue sous le nom de procédé Haber-Bosch, la réaction combine l’azote atmosphérique avec l’hydrogène pour former de l’ammoniac. Alors que le procédé a été développé à l’origine comme un moyen rentable de transformer l’azote atmosphérique en ammoniac destiné à être utilisé dans des engrais, des produits de nettoyage et même des explosifs, le secteur de l’énergie s’est tourné vers le procédé Haber-Bosch comme moyen de stocker et de transporter de l’hydrogène. sous forme d’ammoniaque.

La synthèse de l’ammoniac est intrinsèquement gourmande en énergie et les combustibles fossiles sans CO₂ la capture sont actuellement utilisés pour répondre à la quasi-totalité de ses demandes en matières premières et en énergie. Mais comme les chercheurs l’ont souligné dans leur article, si de nouveaux procédés électriques actuellement en cours de développement peuvent remplacer la synthèse conventionnelle d’ammoniac dérivée de combustibles fossiles, alors le procédé Haber-Bosch – ou un tout autre procédé – pourrait être largement utilisé. pour convertir l’hydrogène propre en ammoniac, qui peut lui-même être brûlé comme carburant sans carbone.

“L’ammoniac est un moyen facile de transporter l’hydrogène sur de longues distances, et son utilisation répandue dans l’agriculture signifie qu’il existe déjà une infrastructure établie pour produire et déplacer l’ammoniac”, a déclaré Matteo Bertagni, chercheur postdoctoral au High Meadows Environmental Institute travaillant sur l’atténuation du carbone. Initiative. “Vous pourriez donc créer de l’hydrogène dans une zone riche en ressources, le transformer en ammoniac, puis le transporter partout où vous en avez besoin dans le monde.”

La transportabilité de l’ammoniac est particulièrement attrayante pour les industries qui dépendent du transport sur de longues distances, telles que le transport maritime, et pour les pays disposant d’un espace disponible limité pour les ressources renouvelables. Le Japon, par exemple, a déjà mis en place une stratégie énergétique nationale qui intègre l’utilisation de l’ammoniac comme carburant propre. Les exigences simples de stockage signifient que l’ammoniac pourrait également être utilisé comme récipient pour le stockage d’énergie à long terme, en complément ou même en remplacement des batteries.

“À première vue, l’ammoniac semble être un remède idéal au problème de la décarbonisation”, a déclaré Porporato. “Mais presque tous les médicaments s’accompagnent d’un ensemble d’effets secondaires potentiels.”

“Regardez avant de sauter”

En théorie, la combustion de l’ammoniac ne devrait produire que de l’azote gazeux inoffensif (N₂) et l’eau comme produits. Mais en pratique, Michael E. Mueller, président associé et professeur de génie mécanique et aérospatial, a déclaré que la combustion de l’ammoniac peut libérer du NO nocif._X et n₂Ô polluants.

La plupart N₂Les émissions d’O provenant de la combustion de l’ammoniac sont le résultat de perturbations du processus de combustion. “N₂“O est essentiellement une espèce intermédiaire dans le processus de combustion”, a déclaré Mueller. “Si on laisse le processus de combustion se terminer, alors il n’y aura essentiellement pas de N.₂Ô émissions.”

Pourtant, Mueller a déclaré que dans certaines conditions, comme lorsqu’une turbine monte ou descend ou si les gaz de combustion chauds heurtent des parois froides, le processus de combustion de l’ammoniac peut être perturbé et N₂Les émissions d’O peuvent rapidement s’accumuler.

Par exemple, les chercheurs ont découvert que si le combustible ammoniac parvenait à une pénétration du marché égale à environ 5 % de la demande mondiale actuelle en énergie primaire (ce qui nécessiterait 1,6 milliard de tonnes de production d’ammoniac, soit dix fois les niveaux de production actuels), et si 1 % de l’azote dans la mesure où l’ammoniac est perdu sous forme de N₂O, alors la combustion de l’ammoniac pourrait produire des émissions de gaz à effet de serre équivalentes à 15 % des émissions actuelles provenant des combustibles fossiles. L’intensité des émissions de gaz à effet de serre d’un tel taux de perte signifierait que la combustion d’ammoniac serait plus polluante que le charbon.

Comme le N de l’ammoniac₂O émissions, Robert Socolow, professeur de génie mécanique et aérospatial, émérite et chercheur principal à Princeton, a déclaré que l’utilisation généralisée de l’ammoniac dans le secteur de l’énergie s’ajouterait à tous les autres impacts que les engrais ont déjà eu sur le cycle mondial de l’azote.

Dans un article fondateur publié en 1999, Socolow discutait des impacts environnementaux de l’utilisation généralisée d’engrais enrichis en azote dans le système alimentaire pour favoriser la croissance des cultures, écrivant que « l’excès d’azote fixé, sous diverses formes, augmente l’effet de serre… contamine l’eau potable, acidifie la pluie… et stresse les écosystèmes.

Alors que le secteur de l’énergie se tourne vers l’ammoniac comme carburant, Socolow a déclaré qu’il pouvait tirer des leçons de l’utilisation de l’ammoniac comme engrais par l’agriculture. Il a exhorté les acteurs du secteur de l’énergie à consulter les décennies de travail des écologistes et des agronomes pour comprendre le rôle de l’excès d’azote dans la perturbation des systèmes naturels.

“Le combustible ammoniac peut être utilisé, mais cela ne peut pas être fait comme nous le souhaitons”, a déclaré Socolow, dont l’article de 2004 avec Stephen Pacala, professeur émérite Frederick D. Petrie d’écologie et de biologie évolutive, sur les coins de stabilisation est devenu une base. de la politique climatique moderne. “Il est important que nous regardions avant de nous lancer.”

Une feuille de route pour une économie durable de l’ammoniac

Même si les conséquences environnementales d’une mauvaise économie de l’ammoniac sont graves, les chercheurs ont souligné que les obstacles potentiels qu’ils ont identifiés peuvent être résolus grâce à une ingénierie proactive.

“J’interprète cet article comme un manuel destiné aux ingénieurs”, a déclaré Mueller. “En identifiant le pire scénario pour une économie d’ammoniac, nous identifions réellement ce dont nous devons être conscients lorsque nous développons, concevons et optimisons de nouveaux systèmes énergétiques à base d’ammoniac.”

Par exemple, Mueller a déclaré qu’il existe des stratégies de combustion alternatives qui pourraient aider à minimiser les NOx indésirables._X et n₂Ô émissions. Bien que chaque stratégie ait ses propres avantages et inconvénients, il a déclaré que prendre le temps dès maintenant d’évaluer les systèmes candidats en vue d’atténuer les émissions garantira que les systèmes de combustion sont prêts à fonctionner de manière optimale pour le carburant à l’ammoniac.

Une autre option pour accéder à l’énergie contenue dans l’ammoniac consiste à diviser partiellement ou totalement l’ammoniac en hydrogène et azote atmosphérique par un processus connu sous le nom de craquage. Le craquage de l’ammoniac, un axe de recherche activement poursuivi par Emily A. Carter, pourrait contribuer à rendre la composition du carburant plus favorable à la combustion ou même à contourner les problèmes environnementaux liés à la combustion de l’ammoniac en régénérant le carburant hydrogène au point d’utilisation.

Carter est professeur Gerhard R. Andlinger d’énergie et d’environnement, conseiller stratégique principal et directeur associé de laboratoire pour les matériaux appliqués et les sciences de la durabilité au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL).

De plus, plusieurs technologies existent déjà à l’échelle industrielle pour convertir les NO indésirables_X émissions provenant de la combustion restituées en N₂ grâce à un processus connu sous le nom de réduction catalytique sélective. Ces technologies pourraient être simples à transférer aux applications de carburants à base d’ammoniac. Et comme bonus pratique, beaucoup d’entre eux utilisent l’ammoniac comme matière première pour éliminer le NO._X– quelque chose qu’il y aurait déjà en abondance dans un système à base d’ammoniac.

Au-delà des pratiques d’ingénierie qui pourraient être développées pour minimiser les impacts environnementaux d’une économie d’ammoniac, Porporato a déclaré que les travaux futurs iront également au-delà des approches d’ingénierie pour identifier les politiques et les stratégies réglementaires qui garantiraient le meilleur scénario pour le carburant à base d’ammoniac.

“Imaginez les problèmes que nous aurions pu éviter si nous connaissions les risques et les impacts environnementaux liés à la combustion de combustibles fossiles avant le début de la révolution industrielle”, a déclaré Porporato. “Avec l’économie de l’ammoniac, nous avons la chance de tirer des leçons de notre passé émetteur de carbone. Nous avons la possibilité de résoudre les défis que nous avons identifiés avant qu’ils ne deviennent un problème dans le monde réel.”