Peut-on décarboner la production industrielle d’ammoniac ?

Source : Rapport de synthèse du Plan de Transition Sectoriel de l’Industrie de l’Ammoniac en France, p.8, ADEME, Septembre 2023

L’ammoniac est un composé chimique (NH3) polyvalent dont les applications industrielles sont nombreuses :

Principalement utilisé pour la fabrication d’engrais (80 à 90 % de l’ammoniac produit est utilisé pour enrichir les sols agricoles).
Composant clé de la production de nombreux produits chimiques (acide nitrique, polymères).
Utile à la réfrigération industrielle en raison de ses excellentes capacités de refroidissement et son faible coût.
Il fait également office d’agent de nettoyage efficace dans différentes industries pour traiter des surfaces et éliminer des graisses et saletés.
L’ammoniac liquide est utilisé dans l’industrie textile pour le tannage et la production de colorants.
L’ammoniac liquide peut également être utilisé pour la production de carburants verts pour le secteur des transports (haute densité énergétique, capacité à stocker l’hydrogène) : il peut être utilisé dans les moteurs à combustion interne ou les piles à combustible.

Actuellement, l’ammoniac est principalement produit à partir de ressources fossiles (gaz, charbon, naphta, fioul). La production industrielle de l’ammoniac se déroule en deux étapes principales : la production de dihydrogène et la synthèse de l’ammoniac. Le dihydrogène est obtenu par reformage du méthane (ou d’autres hydrocarbures comme le charbon et le naphta) à l’aide de vapeur d’eau. Ensuite, l’ammoniac est synthétisé par une réaction catalytique entre le diazote de l’air et le dihydrogène issu du gaz naturel/hydrocarbures et de la vapeur d’eau. Ce procédé industriel de synthèse de l’ammoniac est connu sous le nom de procédé Haber-Bosch. La production d’ammoniac est responsable de 3 % des émissions de gaz à effet de serre de l’industrie française. Le développement de technologies permettant la production d’ammoniac décarboné pourrait ainsi limiter l’impact environnemental de ce composé chimique omniprésent dans l’industrie.

Deux voies technologiques émergent pour produire de l’ammoniac décarboné :

Captage et stockage du carbone (CCS) : Actuellement, une partie des émissions de CO2 du vaporeformage est déjà captée et utilisée pour la production d’urée ou vendue à l’industrie agroalimentaire. Le reste pourrait être liquéfié et stocké de manière permanente, par exemple en Mer du Nord. Cependant, capter les émissions de combustion est plus complexe et coûteux en raison de leur faible concentration. Le déploiement du CCS sur les sites de production d’ammoniac pose des défis économiques, organisationnels et sociaux, mais semble propice à la configuration de sites industriels implantés sur des zones industrialo-portuaires, puisque la possibilité de mutualisation des infrastructures et des transports nécessaires ainsi qu’un accès facile aux zones de stockage offshore représentent des atouts importants.
Utilisation exclusive d’hydrogène électrolytique : Cette voie consiste à convertir les sites de production d’ammoniac pour utiliser exclusivement de l’hydrogène produit par électrolyse. Cela implique de remplacer le vaporeformeur par des électrolyseurs et une unité de séparation d’air pour produire l’hydrogène et l’azote nécessaires à la synthèse de l’ammoniac. Cette solution permet une décarbonation profonde et réduit la dépendance au gaz fossile, mais nécessite une révision complète de l’intégration thermique du site et une électrification maximale des équipements.

L’ADEME propose dans son Plan de Transition Sectoriel de l’industrie de l’ammoniac en France trois scénarios prospectifs de décarbonation de la filière, pondérés selon différentes évolutions des modèles agricoles, du commerce international et des choix technologiques opérés. Ces hypothèses convergent vers un paramètre structurant : la transition des marchés, les choix technologiques et les besoins de planification et d’infrastructures seront essentiels pour amplifier la décarbonation de la filière de l’ammoniac. Le scénario « résilience et ammoniac renouvelable » prévoit une réduction de 98 % des émissions de GES grâce à une décarbonation totale par la voie hydrogène, qui nécessiterait néanmoins des investissements conséquents.