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Les paysages anciens et arides de l’Australie sont un terrain fertile pour une nouvelle sorte de croissance. Dans la banlieue de Melbourne il y de vastes forêts où le soleil, par mètre carré, frappe le pays plus fortement que n’importe quel autre endroit sur terre, et des vents puissants soufflent sur ses côtes sud et ouest. Tout compte fait, l’Australie dispose d’un potentiel d’énergie renouvelable de 25 000 gigawatts; l’un des plus élevés au monde et environ quatre fois la capacité de production d’électricité de la planète. Pourtant, avec une petite population et peu de moyens pour stocker ou exporter l’énergie, sa générosité renouvelable est largement inexploitée.

L’ammoniac l’énergie verte du futur

C’est là que MacFarlane intervient. Au cours des quatre dernières années, il a travaillé sur une pile à combustible capable de convertir l’électricité renouvelable en un carburant sans carbone: il s’agit tout simplement de l’ammoniac. Les piles à combustible utilisent généralement l’énergie stockée dans les liaisons chimiques pour produire de l’électricité; MacFarlane fonctionne à l’envers. Dans son laboratoire de trois étages, il montre l’un des appareils, de la taille d’une rondelle de hockey et revêtu d’acier inoxydable. Deux tubes en plastique à l’arrière l’alimentent en azote et en eau – un cordon d’alimentation fournit l’électricité.

À travers un troisième tube sur le devant, il expire silencieusement de l’ammoniac gazeux, le tout sans produire de chaleur, ni la pression ou les émissions de carbone normalement nécessaires pour fabriquer ce produit chimique. «C’est respirer de l’azote et en expirer de l’ammoniac à la fin du processus», explique MacFarlane, rayonnant comme un père fier de son invention.

Un produit pouvant être expédié n’importe où dans le monde

Les entreprises du monde entier produisent déjà 60 milliards de dollars d’ammoniac chaque année, principalement comme engrais, et le gadget de MacFarlane peut leur permettre de le rendre plus efficace plus proprement. Mais il a l’ambition de faire beaucoup plus que d’aider les agriculteurs. En convertissant l’électricité renouvelable en un gaz riche en énergie qui peut facilement être refroidi et comprimé en carburant liquide, la pile à combustible de MacFarlane utilise efficacement le soleil et le vent, ce qui en fait un produit pouvant être expédié n’importe où dans le monde, pour alimenter des véhicules à pile à combustible. Le gaz qui s’échappe de la pile à combustible est incolore, mais, selon MacFarlane, l’ammoniac est aussi très écologique; « L’ammoniac liquide est de l’énergie liquide », explique-t-il. « C’est la technologie durable dont nous avons besoin. »

L’ammoniac – constitué d’un atome d’azote lié à trois atomes d’hydrogène – peut ne pas sembler être un combustible idéal: les produits chimiques, utilisés dans les nettoyants ménagers, sentent mauvais et sont toxiques. Mais sa densité d’énergie en volume est presque le double de celle de l’hydrogène liquide – son principal concurrent en tant que carburant alternatif vert – et il est plus il est facile à expédier et à distribuer. «Vous pouvez le stocker, l’expédier, le brûler et le transformer en hydrogène et en azote», explique Tim Hughes, chercheur en stockage d’énergie chez le géant industriel Siemens à Oxford, au Royaume-Uni. «À bien des égards, c’est le produit idéal».

Une économie basée sur l’ammoniac

Les chercheurs du monde entier poursuivent la même vision d’une «économie basée sur l’ammoniac» et l’Australie se positionne pour la diriger. « Cela ne fait que commencer », déclare Alan Finkel, scientifique à Canberra. Selon Finkel, les politiciens n’ont pas encore proposé de législation majeure en faveur de l’ammoniac renouvelable, ce qui est peut-être compréhensible dans un pays longtemps marié à l’exportation de charbon et au gaz naturel.

Mais l’année dernière, l’Agence australienne pour les énergies renouvelables a déclaré que la création d’une économie d’exportation pour les énergies renouvelables était l’une de ses priorités. Cette année, l’agence a annoncé des fonds initiaux de 20 millions de dollars australiens pour soutenir les technologies d’exportation renouvelables, y compris le transport de l’ammoniac.

700ma_0713_GreenAmmonia_windfarm Les côtes venteuses de l’Australie offrent en abondance une source d’énergie, qu’elles exporteront peut-être un jour comme carburant sans carbone.

Dans les États australiens, les politiciens considèrent l’ammoniac renouvelable comme une source potentielle d’emplois locaux et de recettes fiscales, déclare Brett Cooper, président de Renewable Hydrogen, une firme de consultants sur les carburants renouvelables à Sydney. Au Queensland, les autorités discutent de la création d’un terminal d’exportation d’ammoniac dans la ville portuaire de Gladstone, qui est déjà un centre d’acheminement du gaz naturel liquéfié vers l’Asie. En février, l’Australie-Méridionale a accordé 12 millions de dollars australiens de subventions et de prêts à un projet d’ammoniac renouvelable, et l’année dernière, un consortium international a annoncé son intention de construire une centrale éolienne et solaire de 10 milliards de dollars US connue sous le nom de «Asian Renewable Energy Hub» en Australie-Occidentale.

Bien que la plupart des 9 000 mégawatts d’électricité du projet circuleraient à travers un câble sous-marin pour alimenter des millions de foyers en Indonésie, une partie de cette énergie pourrait être utilisée pour produire de l’ammoniac pour l’exportation à longue distance. « L’ammoniac est le principal catalyseur de l’exportation des énergies renouvelables », explique David Harris, directeur de recherche pour les technologies à faibles émissions de l’Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) à Pullenvale. « C’est le pont vers un tout nouveau monde. »

Mais avant que tout cela se fasse, les évangélistes de l’ammoniac renouvelable devront d’abord déplacer l’un des processus industriels les plus grands et les plus sales du monde moderne: quelque chose appelé Haber-Bosch – qui est procédé qui permet de fixer de façon économique, le diazote atmosphérique sous forme d’ammoniac, mais qui n’est pas très vert comme vous le verrez dans les explications qui vont suivre.

Produire de l’ammoniaque avec le précédé Haber-Bosch

L’usine d’ammoniaque, une métropole métallique de tuyaux et de réservoirs, se trouve là où les roches rouges du désert de Pilbara en Australie-Occidentale rencontrent l’océan. Détenue par Yara, le plus grand producteur d’ammoniac au monde et achevée en 2006, l’usine est encore toute neuve. Elle est à l’avant-garde des technologies et est l’une des plus grandes usines d’ammoniac au monde. Pourtant, les réacteurs en acier qui utilisent encore une recette centenaire (Haber-Bosch) pour fabriquer de l’ammoniac sont dans son noyau.

Jusqu’en 1909, les bactéries fixatrices d’azote produisaient la plus grande partie de l’ammoniac de la planète. Mais cette année-là, le scientifique allemand Fritz Haber a trouvé une réaction qui, à l’aide de catalyseurs de fer, pouvait diviser la liaison chimique qui maintient les molécules d’azote N2 et combine les atomes avec de l’hydrogène, pour produire de l’ammoniac. La réaction utilise une force brute – jusqu’à 250 atmosphères de pression dans les réacteurs en acier – un processus d’abord industrialisé par le chimiste allemand Carl Bosch. Ce processus est assez efficace. environ 60 % de l’énergie mise dans l’usine finit par être stockée dans les liaisons de l’ammoniac. Mis à l’échelle des usines de la taille de Yara, ce processus pourrait produire de grandes quantités d’ammoniac. Aujourd’hui, l’usine fabrique et expédie 850 000 tonnes d’ammoniac par an, soit plus du double du poids de l’Empire State Building.

Pourtant la plupart est utilisée comme engrais, car les plantes recherchent l’azote, qui est utilisé dans la construction de protéines et d’ADN, et l’ammoniac le délivre sous une forme biologiquement disponible. Les réacteurs de Haber-Bosch peuvent produire de l’ammoniac beaucoup plus rapidement que les processus naturels, et au cours des dernières décennies, cette technologie a permis aux agriculteurs de nourrir l’explosion de la population mondiale. On estime qu’au moins la moitié de l’azote dans le corps humain provient aujourd’hui d’une usine d’ammoniac synthétique.

Haber-Bosch a conduit à la révolution verte, mais ce processus est tout sauf vert. Il nécessite une source de gaz d’hydrogène (H2), qui est extrait du gaz naturel ou du charbon dans une réaction en utilisant de la vapeur surchauffée sous pression. Le dioxyde de carbone (CO2) est laissé pour compte, représentant environ la moitié des émissions du processus global. La deuxième charge, N2, est facilement séparée de l’air, qui contient plus de 78 % d’azote. Mais générer la pression nécessaire pour mélanger l’hydrogène et l’azote dans ces réacteurs consomme plus de combustibles fossiles, ce qui signifie plus de CO2. Les émissions s’accumulent: la production d’ammoniac consomme environ 2% de l’énergie mondiale et génère 1% de son CO2.

Une usine pilote dont l’ouverture est prévue en 2019

Yara fait un premier pas vers l’écologisation de ce processus avec une usine pilote, dont l’ouverture est prévue en 2019, qui sera installée à côté de l’usine existante de Pilbara. Au lieu de se fier au gaz naturel pour fabriquer du H2, le nouvel « add-on » alimentera un réseau solaire de 2,5 mégawatts en une batterie d’électrolyseurs qui diviseront l’eau en H2 et O2. L’installation continuera de s’appuyer sur la réaction de Haber-Bosch pour combiner l’hydrogène avec l’azote pour produire de l’ammoniac. Mais la source d’hydrogène alimentée par l’énergie solaire réduit les émissions totales de CO2 du procédé de près de la moitié.

D’autres projets suivent; l’État d’Australie-Méridionale a annoncé en février son intention de construire une usine d’ammoniac d’un montant de 180 millions de dollars australiens, en utilisant à nouveau des électrolyseurs alimentés par des énergies renouvelables. Prévue pour ouvrir en 2020, l’usine serait une source régionale d’engrais et d’ammoniac liquide, qui peut être brûlé dans une turbine ou passer à travers une pile à combustible pour produire de l’électricité. L’approvisionnement en énergie liquide aidera à stabiliser le réseau en Australie-Méridionale, qui a subi une panne d’électricité débilitante en 2016.

L’ammoniac ainsi fabriqué devrait attirer des acheteurs dans des pays comme l’Union européenne et la Californie, qui ont créé des incitations à acheter des carburants plus écologiques, et à mesure que le marché se développera, les voies de distribution pour l’importation d’ammoniac et les technologies pour l’utiliser continueront de croître, explique Harris. D’ici là, les piles à combustible comme celles de MacFarlane pourraient être prêtes à remplacer le processus Haber-Bosch – et l’approche semi-verte de la production d’ammoniac pourrait devenir entièrement verte.

Au lieu d’appliquer une chaleur et une pression redoutables, les piles à combustible inversées produisent de l’ammoniac en se disputant habilement des ions et des électrons. Comme dans une batterie en cours de recharge, les ions chargés circulent entre deux électrodes alimentées en électricité. L’anode, recouverte d’un catalyseur, divise les molécules d’eau en O2, en ions hydrogène et en électrons. Les protons circulent à travers un électrolyte et une membrane perméable aux protons vers la cathode, tandis que les électrons font le voyage à travers un fil. Via la cathode, les catalyseurs séparent les molécules de N2 et incitent les ions hydrogène et les électrons à réagir avec l’azote et à produire de l’ammoniac.

700ma_0713_NewsFeature_greenammonia Un composant d’une pile à combustible inversée utilise de l’énergie renouvelable pour assembler l’eau et l’azote afin de produire de l’ammoniac.
Le rêve d’une énergie verte à faible cout

À l’heure actuelle, les rendements sont modestes. À des températures et pressions ambiantes, les réactions des piles à combustible ont généralement des rendements compris entre 1% et 15%, et le débit est faible. Mais MacFarlane a trouvé un moyen de stimuler l’efficacité en changeant l’électrolyte. Dans l’électrolyte à base d’eau que de nombreux groupes utilisent, les molécules d’eau réagissent parfois avec des électrons de la cathode, volant des électrons qui autrement conduiraient à la production de l’ammoniac. «Nous luttons constamment pour que les électrons se transforment en hydrogène», explique M. MacFarlane, « et nous y sommes arrivés. »

C’est le rêve de la fusion nucléaire qui n’a jamais été atteint, explique-t-il: une énergie inépuisable, mais cette fois c’est de l’ammoniaque. « Il ne pourra jamais y avoir de pénurie, et il n’y a pas de carbone dans ce système, ce qui en fait l’énergie verte du futur », contrairement à la fusion nucléaire qui piétine et dont les coûts sont astronomiques.

Source : Science