L’autre hydrogène

Le mois dernier à Rotterdam s’est tenu une conférence originale, la première du genre en Europe, consacrée à… l’ammoniac. Oui je sais, le sujet semble assez peu glamour, à première vue. Et pourtant, c’est peut-être ce produit chimique à la forte odeur, bourré d’hydrogène, qui sera bientôt le vecteur et le stockage d’une bonne fraction des énergies éoliennes et solaires.

Soyons clair: je ne partage pas la vision commune selon laquelle l’hydrogène, fabriqué grâce aux surplus du solaire et du vent sur nos réseaux électriques, sera le carburant des voitures de demain. Tout me paraît contestable dans cette vision, comme je l’ai déjà expliqué – la fabrication d’hydrogène à partir de surplus, pour le coup authentiquement intermittents, d’énergies variables, serait coûteuse; le stockage, le transport, l’utilisation à bord de véhicules, du gaz hydrogène, risque d’être hors de prix, car la minuscule molécule de dihydrogène ne se laisse pas facilement mettre en boîte. Il faut la comprimer très fortement, ou la liquéfier à -253°C, pour obtenir un fluide d’une densité énergétique – par rapport à son volume – tout juste acceptable, et ça coûte un bras, au choix, d’épais et lourds réservoirs en acier pour l’H2 comprimé, une dépense énergétique de l’ordre de 30% de son contenu pour l’H2 liquide.

Est-ce à dire qu’il faut enterrer l’hydrogène? Que nenni! Mais il faut le produire au moindre coût, le transporter et le stocker efficacement, et l’utiliser à bon escient. Et c’est cela qui nous amène tout droit à l’ammoniac. Un concentré d’hydrogène: un atome d’azote, trois atomes d’hydrogène, autrement dit NH3. Liquide à moins 33°C, ou sous une dizaine de bars, donc infiniment plus facile et économique à stocker et transporter que l’hydrogène pur, même si moins que le pétrole ou autres liquides à température et pression normales. Disons, comme le gaz naturel liquéfié. Ou le méthane de synthèse, fétiche des fans du « Power to gas », qui oublient que dans la réaction de Sabatier qui associe l’hydrogène au carbone (présumé d’origine atmosphérique, sinon à quoi bon…) pour faire du méthane, la moitié de l’hydrogène est retransformée en eau.

Dangereux, l’ammoniac?  Oui bien sûr: dangereux à inhaler; une concentration de 1% inhalée pendant 1 heure a un risque de mortalité de 1%. Mais l’ammoniac est très facilement détecté par son odeur. Plus léger que l’air, en cas de déversement accidentel il se dilue rapidement et ne pollue pas les sols. Il ne prend pas feu en cas d’accident. Bref, dangereux, certes, mais pas plus que l’essence, certains diront plutôt moins. En tout cas, c’est un produit industriel courant, produit, déplacé et utilisé depuis un siècle en quantité sans que vous en ayez tellement entendu parler. Et vous en avez sans doute un peu chez vous en solution aqueuse, nom scientifique hydroxyde d’ammonium, appellation courante ammoniaque, notez la terminaison différente, un détergent puissant à manipuler avec précautions. En vente à la quincaillerie la plus proche.

C’est au choix, un combustible, ou un vecteur. Un combustible, c’est-à-dire qu’on le brûle tel quel, par exemple dans des moteurs à pistons. Ou des turbines à gaz, moyennant certaines adaptations, et en surveillant la production d’oxydes d’azote et de protoxyde nitreux, puissant gaz à effet de serre. Ou un simple vecteur: avant combustion, on sépare l’azote et l’hydrogène par craquage thermique ou électrolyse, on renvoie le diazote dans l’atmosphère dont c’est le constituant principal, on brûle l’hydrogène. Voire un peu des deux: à Rotterdam l’université de Cardiff a présenté des résultats de tests de combustion, montrant qu’un mélange d’ammoniac et d’hydrogène brûle dans une turbine à gaz avec un très bas niveau d’émissions de NOx – et bien sûr pas de SOx, ni de CO2. Dernier moyen, la pile à combustible, encore une fois après séparation de l’hydrogène et de l’azote… ou pas, on peut aussi avoir des piles alimentées directement en ammoniac.

Je ne sais pas si on utilisera l’ammoniac dans nos voitures et nos camions – peut-être mais plutôt marginalement, dans des prolongateurs d’autonomie. Les batteries offrent un meilleur service, utilisant 90% de l’électricité dont on les remplit. L’efficacité de la chaîne électricité – ammoniac – électricité est nettement moindre, plutôt 35%, peut-être plus demain. A réserver pour des usages hors de portée des batteries. Les avions? Pas sûr. La densité énergétique – par rapport à son poids – de l’ammoniac, c’est moitié moins que les hydrocarbures. Les bateaux? Pourquoi pas. Et ce n’est pas négligeable, loin de là.

Mais au fond, c’est plutôt aux applications stationnaires que je pense d’abord. Aux centrales électriques d’équilibrage, qui produiront les 5 à 15% d’électricité qu’il serait trop coûteux de stocker pendant des mois, sauf si on a la chance de pouvoir faire des stations de transfert d’énergie par pompage entre plusieurs grands réservoirs, comme sur la Durance, par exemple. Aux industries ensuite, notamment celles qui ont d’importants besoins de chaleur à haute température – ou celles qui auront besoin d’hydrogène comme agent réducteur, dans la fabrication de l’acier par exemple, ou encore celle des biocarburants de nouvelle génération. Là encore, je ne prétends pas que l’ammoniac sera toujours et partout la seule solution ni même la meilleure – il faudra la mettre en compétition avec les autres, telles que l’utilisation directe de l’électricité.

C’est d’ailleurs par les usages industriels actuels que j’ai flairé la piste de l’ammoniac (1 concentration de cinq parties par million est détectable, ça aide, pourtant j’y ai mis le temps…). La moitié de la production courante d’hydrogène, très polluante car à 95% à partir des fossiles, sert à fabriquer de l’ammoniac, essentiellement comme constituant des engrais azotés, et une foule d’autres usages industriels à commencer par l’utilisation en gaz réfrigérant. Et c’est évidemment cette production-là qu’il faut commencer à nettoyer, en substituant renouvelables aux fossiles dans la production d’ammoniac. Là où l’électricité renouvelable coûte 3 cents/kWh ou moins, on peut envisager une production d’ammoniac compétitive par rapport aux fabrications à base de gaz naturel, pétrole ou charbon, et cela, sans que soit nécessairement pris en compte un coût des émissions carbonées.

La nécessité de faire fonctionner en continu les boucles de synthèse de l’ammoniac selon le procédé Haber-Bosch semble exclure, plus encore que l’économie de l’électrolyse, la fabrication d’ammoniac à partir de surplus intermittents d’énergies variables. Je pense avoir montré en revanche que la variabilité elle-même est gérable assez facilement, à condition de partir de facteurs de capacité élevés, 50% ou plus. Il y faut pour cela d’excellentes ressources éoliennes et/ou solaires, si possible associées et bien complémentaires, ou hydrauliques, ou encore une association des trois.

Si la Chine et les Etats-Unis disposent l’un et l’autre sur leurs vastes territoires des ressources nécessaires, ce n’est pas nécessairement le cas de la Corée, de l’Europe, du Japon, tandis que d’autres régions du monde – l’Argentine, l’Australie, le Chili, le Maroc, la corne de l’Afrique pour l’éolien ou le solaire, le Congo pour l’hydraulique – disposent d’abondantes ressources, bien au-delà de leurs consommations propres. Et dès lors que l’hydrogène doit être transformé en ammoniac a des fins industrielles ou énergétiques, pour sa facilité de stockage longue durée, il fait alors sens de le produire là où les ressources sont excellentes et de l’exporter vers les centres de demande.

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