L'avenir de la production d'ammoniac passe par l'électrochimie

L'ammoniac est l'engrais azoté le plus courant et le plus largement utilisé dans le secteur agricole. En raison de la croissance exponentielle de la population mondiale au cours des 140 dernières années, la demande d'ammoniac continue d'augmenter. Outre sa valeur dans l'agriculture, l'ammoniac a également fait l'objet d'une attention particulière dans le cadre de l'économie de l'hydrogène en raison de son potentiel en tant que vecteur d'hydrogène viable pour permettre un transport sûr sur de longues distances et périodes en grandes quantités. Cependant, la fabrication traditionnelle de l'ammoniac utilise des combustibles fossiles, tels que le méthane, comme source d'hydrogène nécessaire à la réaction. L'utilisation de cette source d'hydrogène est responsable de 1,5 à 2 % des émissions mondiales de CO2, une technologie que l'on qualifie familièrement de "grise". Communément appelé "ammoniac vert", l'ammoniac synthétisé par voie électrochimique avec l'utilisation d'électricité provenant de sources renouvelables est une alternative intéressante à zéro émission de carbone. 

Swan-H, une start-up fondée fin 2021, contribue à la décarbonisation de la production d'ammoniac en fixant l'azote librement disponible dans l'atmosphère. Elle travaille activement sur un procédé unique d'activation de l'azote breveté en collaboration avec l'Université de Toulouse et le Conseil national de la recherche (CNRS). Pour en savoir plus sur la production d'ammoniac vert et sur le processus développé par l'équipe de Swan-H, nous avons interviewé le Dr Augustin De Bettignies (communicateur externe, CCO - Chief Commercial Officer), Dancheng Legrand (directeur de laboratoire) et Nicolas Mézailles (directeur de recherche, CSO - Chief Science Officer).

Augustin, Swan-H est une entreprise qui se consacre à la production innovante d'ammoniac. Pouvez-vous nous présenter votre équipe et son rôle ?

L'équipe de Swan-H est un groupe international de huit personnes, composé de quatre fondateurs et de quatre chercheurs. Ce groupe d'experts comprend le Dr Nicolas Mézailles, fondateur de l'entreprise et responsable de la recherche, le Dr Steve van Zutphen, chimiste entrepreneur, en tant que CEO, le Dr Willem Schipper, qui agit en tant que CTO en charge de l'industrialisation, et moi-même (le Dr Augustin De Bettignies), qui suis le business party.

La voie de synthèse inventée par Swan-H serait plus durable, mais en quoi diffère-t-elle exactement des autres types de production d'ammoniac ?

La réaction entre N2 et H2 pour produire du NH3 est particulièrement difficile. Le célèbre procédé Haber-Bosch a été largement adopté comme procédure industrielle standard pour la production d'ammoniac depuis le début du 20e siècle. Ce procédé industrialisé ne permet de produire de l'ammoniac que dans des conditions très exigeantes de températures (400 °C) et de pressions (>100 bar) élevées, et nécessite également l'utilisation d'un catalyseur hétérogène. [1]. En outre, les molécules d'hydrogène utilisées dans le processus sont générées à partir du reformage du méthane à la vapeur (MSR) [2].

Pour en savoir plus sur le développement du procédé Haber-Bosch, consultez notre article de blog.

Une histoire de la chimie - Partie 4

Pour réduire l'empreinte carbone de cette réaction, certains fabricants d'ammoniac utilisent désormais du H2 produit par une réaction de séparation de l'eau dans un électrolyseur. Le résultat de ce procédé Haber-Bosch modernisé est connu sous le nom d'"ammoniac vert". Toutefois, ce procédé nécessite toujours des températures et des pressions élevées ainsi qu'un catalyseur pour synthétiser le NH3. Il est également nettement moins compatible avec la production d'énergie intermittente des parcs éoliens et solaires, car la température et la pression élevées doivent être maintenues en permanence pour faire fonctionner le processus.

D'un point de vue philosophique, Swan-H a un état d'esprit différent de celui de l'industrie Haber-Bosch. Notre processus est réalisé à température ambiante et à pression atmosphérique, ce qui réduit considérablement l'apport énergétique nécessaire à la production d'ammoniac, qui représente actuellement 1,5 à 2 % de la consommation mondiale d'énergie. Notre stratégie repose sur la génération de radicaux soigneusement conçus qui réagissent par étapes avec la molécule d'azote plutôt que d'utiliser la "force brute" (température et pression élevées) pour la diviser à l'aide du catalyseur.

La méthode Swan-H utilise également l'eau comme source d'hydrogène au lieu de matériaux à base de carbone. Il en résulte un processus moins gourmand en énergie, indépendant de la surface de l'électrode et dont l'empreinte carbone est minimale. L'expression "indépendant de la surface de l'électrode" fait référence au fait que l'activation de l'azote se produit en solution, ce qui, outre les avantages susmentionnés, présente des avantages pour la mise à l'échelle ultérieure. Le procédé Swan-H se distingue ainsi d'autres procédés qui combinent l'activation et la réduction du N2 sur la même surface.

Pour en savoir plus sur la production d'hydrogène propre ("vert") à partir de l'eau par électrolyse, consultez nos articles de blog.

L'hydrogène vert, carburant de l'avenir : Utilisation de potentiostats pour développer de nouveaux catalyseurs pour la production d'hydrogène

Production d'hydrogène vert : Un défi interdisciplinaire ancré dans l'électrochimie

La technologie développée par votre équipe de recherche se déroule dans un électrolyseur alimenté par un potentiel/courant constant. Pouvez-vous décrire plus en détail l'étape électrochimique qui se produit au niveau de la borne négative ou du compartiment cathodique ?

La particularité de la technologie Swan-H est de ne pas pouvoir activer l'azote à la surface de l'électrode, mais plutôt d'activer un médiateur qui réagit ensuite avec l'azote. Cela permet au processus d'activation de l'azote de se produire dans tout le volume de la solution et de ne pas être limité par la surface de l'électrode. Ainsi, nous activons électrochimiquement un médiateur chimique qui devient une espèce radicale à haute énergie. Cette espèce radicale parvient à réagir chimiquement avec les molécules de N2 dissoutes dans l'électrolyte. Dans l'étape suivante, le produit amine (dérivé contenant de l'azote) réagit avec une source d'hydrogène (par exemple, l'eau), transformant le processus global en une réaction de type hybride (électrochimique-chimique). C'est la combinaison des deux étapes qui exploite les principales propriétés des événements individuels, maximisant ainsi le potentiel global de la production d'ammoniac.

Un prototype de réacteur basé sur le processus de réaction hybride a été conçu et testé. Quel est son état actuel ?

Notre prototype de première version fonctionne actuellement par lots avec une production de milligrammes à TRL 4. (Technology Readiness Level 4). Il permet des discussions normalisées dans différents domaines et secteurs technologiques en toute sécurité.

Nous recueillons des données pour quantifier la quantité d'énergie nécessaire par unité d'ammoniac générée par l'utilisation de VIONIC alimenté par INTELLO. D'ici la fin de l'année, ce prototype devrait évoluer vers une fabrication plus autonome et continue avec une productivité plus élevée, atteignant ainsi le TRL 5.

Vous avez mentionné deux secteurs d'application principaux pour l'ammoniac : les engrais et la technologie de l'hydrogène. Quelles sont les organisations et institutions qui bénéficieront du processus Swan-H ?

Il n'y a que 100 à 120 usines de production d'ammoniac dans le monde, ce qui signifie qu'il s'agit d'une production très centralisée pour environ 200 millions de tonnes par an au total. Cela crée une forte dépendance à l'égard de ces installations de production. Les producteurs d'ammoniac cherchent des moyens de rendre le cycle de production plus écologique en travaillant avec une source d'hydrogène produite à partir d'énergie renouvelable disponible localement, de préférence avec des processus qui ne nécessitent pas d'énormes usines.

Nous avons envisagé la production d'unités de différentes tailles basées sur la technologie Swan-H au niveau régional, décentralisant ainsi la production d'ammoniac et renforçant les économies locales. Cela concerne les entreprises, et même les pays, qui cherchent à être indépendants des sources de gaz naturel étrangères. En outre, notre vision est de pouvoir fournir des équipements qui peuvent être mis en marche, produire du NH3 lorsque l'énergie excédentaire est disponible, puis être à nouveau mis hors service. Utilisé de cette manière, l'ammoniac servira de produit chimique de stockage de l'énergie avec une teneur élevée en hydrogène.

En tant qu'utilisateur de VIONIC powered by INTELLO, quelle est votre expérience avec Metrohm Autolab en général et quelles sont les caractéristiques de VIONIC qui font avancer votre recherche ?

L'équipe de Swan-H a eu une interaction très agréable avec le support local de Metrohm Autolab en France, et nous avons apprécié de travailler ensemble sur le logiciel. L'interface INTELLO est très pratique à utiliser et c'est un logiciel assez puissant en ce qui concerne le nombre d'analyses sur le même écran. Ils nous ont souligné l'accessibilité des tracés et la visibilité de l'acquisition en temps réel.

Compte tenu des capacités de VIONIC - nous prévoyons une résistance élevée de la solution dans les conditions de recherche, et cet instrument peut gérer des tensions élevées et des besoins de conformité, ce qui nous a fait opter pour Metrohm Autolab et VIONIC. L'équipe a également apprécié la fonction de détachement d'INTELLO, car elle peut détacher ses ordinateurs de VIONIC pendant plusieurs heures de mesures et les reconnecter pour récupérer les données au lieu de consacrer toutes ses ressources à l'expérience.

Résumé

La transition vers un processus de production d'ammoniac plus durable est à portée de main, en utilisant l'activation de l'azote via des réactions électrochimiques couplées. La méthode de production développée par Swan-H est une option moins coûteuse, plus sûre et plus respectueuse de l'environnement que la procédure traditionnelle Haber-Bosch.

En outre, le processus hybride inventé par le groupe Swan-H utilise des médiateurs radicaux pour activer le N2 et le libérer sous forme de NH3 après l'absorption du H2. L'instrumentation électrochimique dont les spécifications et les caractéristiques répondent aux besoins de l'application, telle que VIONIC powered by INTELLO, joue un rôle important dans la découverte et l'optimisation du processus révolutionnaire de l'ammoniac "plus vert".

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Références

[1] Haber-Bosch process. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (accessed 2023-05-11).

[2] Methane Steam Reforming - an overview. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (accessed 2023-05-11).

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