La molécule d’ammoniac est constituée d’un atome d’azote et de trois atomes d’hydrogène, NH3
L’ammoniac peut être stocké sous forme liquide sous une pression de 10 bars ou à une température de – 33°C à pression atmosphérique (conditions similaires à celles du LPG-Liquified Petroleum Gas), contre -253°C pour l’hydrogène. Il est moins inflammable et présente moins de risques d’emploi que ce dernier.
Il est généré à partir d’hydrogène et d’azote selon la formule :
N2 (gaz) + 3H2 (gaz) → 2NH3 en dégageant de la chaleur (réaction exothermique).
C’est un combustible décarboné vu que sa combustion n’émet que de l’azote et de l’eau :
4NH3 + 3O2→ 2N2 + 6H2O
Cette réaction requiert une quantité d’oxygène bien définie comprise entre 16 et 25% et émet 90% moins de CO2 que l’essence ou le diesel.
L’ammoniac offre une densité énergétique (par litre) nettement plus élevée que celle de l’hydrogène et, à la différence de celui-ci, il est capable de stocker et transporter facilement de l’énergie grâce notamment à la facilité et au coût raisonnable de sa liquéfaction. Générant moins de risques que l’hydrogène lors des opérations de stockage, étant beaucoup moins coûteux à stocker sur une longue période que ce dernier, l’ammoniac est une alternative intéressante, principalement pour des applications de fortes puissances comme les transports maritimes et terrestres de grande capacité ainsi que pour l’industrie lourde.
Il est soit utilisé directement comme carburant ou stocker en vue d’une conversion en hydrogène alimentant des piles à combustible.
Dans le premier cas, il est injecté dans un moteur à combustion interne, sa combustion n’émettant pas de CO2, comme rappelé ci-dessus, et les polluants sont traités par un système de réduction catalytique sélective. Le mélange air-ammoniac dans la chambre de combustion doit être compris entre 16% et 25% pour s’enflammer.
Étant donné sa lenteur d’inflammation, l’ammoniac est mélangé à une petite quantité d’essence ou éventuellement d’hydrogène afin de faciliter sa combustion. L’injection directe est privilégiée pour mieux contrôler le mélange et réduire les imbrûlés en présence d’un catalyseur.
Dans le second cas, l’ammoniac stocké est converti en hydrogène qui alimente une pile à combustible. La pile à combustible est composée d’une anode et d’une cathode reliées au circuit électrique extérieur, ainsi que d’une membrane échangeur d’ions (c’est-à-dire ne laissant passer que les protons, mais pas les électrons) située entre les deux électrodes. L’hydrogène est injecté du côté de l’anode et l’oxygène du côté de la cathode. L’hydrogène se décompose en deux protons et libère deux électrons : H2 → 2H2 + 2e‾.
Les électrons ne pouvant passer de l’anode à la cathode, étant bloqué par la membrane, n’ont qu’une issue : le circuit électrique externe. C’est ce flux d’électrons qui génère le courant. Les protons H⁺ migrent vers la cathode à travers la membrane électrolyte. Protons, électrons (revenant à la cathode par le circuit externe) et l’oxygène donnent de l’eau à la cathode grâce à un catalyseur : O2+ 4H⁺ + 4e‾ → 2H2O. La pile ne s’arrête pas de fonctionner tant qu’elle est alimentée en hydrogène et oxygène, à la différence d’une batterie qui doit être rechargée.
L’ammoniac peut également être obtenu en craquant une molécule d’eau et en récupérant l’hydrogène que l’on combine à l’azote. Dans ce processus, l’idéal pour la production d’énergie est de recourir à un réacteur nucléaire (SMR) à haute température VHTR (réacteur à cycle ouvert et à neutrons thermiques, refroidi à l’hélium et modéré au graphite, dont la température de sortie peut atteindre plus de 1000°C).
Le coût de l’ammoniac nucléaire est inférieur à celui de l’ammoniac fabriqué à partir d’une énergie renouvelable intermittente. Cette compétitivité s’explique par la capacité du nucléaire à fournir simultanément de la chaleur à haute température et une alimentation stable, évitant ainsi les coûts massifs de stockage d’énergie et de sous-utilisation des infrastructures. Hélas, ce type de réacteur ne sera disponible que d’ici à 2030-2035. D’ici là, il faudra se contenter des énergies disponibles actuellement.
Toutefois, le recours à l’ammoniac n’est pas exempt de risques et lacunes.
Sa combustion incomplète peut produire des oxydes d’azote (responsables de la formation de smog et de pluies acides très irritantes pour le système respiratoire) et du protoxyde d’azote-N2O (gaz à effet de serre extrêmement puissant). D’autre part, des traces de NH3 peuvent s’échapper sans avoir brûlé. Elles sont corrosives et toxiques, même à faible concentration.
Le Japon a été le premier pays à s’intéresser à l’ammoniac comme vecteur de stockage d’hydrogène via le projet « Green Ammonia », financé sur fonds publics, associant académies et industriels, dont Tokyo Gas. Les recherches de Toyota portent sur des moteurs thermiques adaptés à l’ammoniac, promettant des performances similaires à l’essence.
Depuis lors, nombre de pays promeuvent l’ammoniac vert pour décarboner notamment le transport maritime et l’industrie lourde.
Ainsi, à titre d’exemple, les États-Unis avec leur programme REFUEL (Renewable Energy to fuels through Utilisation of Energy-Dense Liquids) financé par le département de l’Énergie visent à fabriquer des carburants liquides verts à haute densité énergétique, dont l’ammoniac, pour la production d’électricité ou d’hydrogène.
En Europe, la Norvège et le Danemark disposant d’importantes capacités de génération d’électricité verte (hydraulique pour l’un et éolienne pour l’autre) développent des projets de production d’ammoniac vert dénommés respectivement Barent Blue et Esbjerg.
L’Union européenne finance cette filière via la Banque européenne de l’hydrogène et le mécanisme d’ajustement carbone aux frontières (CBAM).