[Éclairage] L’ammoniac, un autre « hydrogène » pour une combustion à zéro impact carbone

Second composé chimique le plus fabriqué au monde (en termes de volume annuel), facile à produire localement, et capable de stocker et transporter aisément de l’énergie, l’ammoniac, un hydrogène azoté, possède de nombreux avantages et aura un rôle dans la transition énergétique de demain. Eclairage par Christine Rousselle, chercheuse et professeure à l’Université d’Orléans.

Décarboner l’énergie grâce à la combustion

Continuer d’utiliser des combustibles d’origine fossiles, associés à d’autres combustibles à faible empreinte carbone permettrait de limiter l’impact environnemental carbone de nos procédés industriels basés sur la combustion, mais ne peut permettre d’atteindre la neutralité climatique visée par l’Europe en 2050. En parallèle, exploiter massivement les énergies renouvelables entraîne d’autres défis liés en particulier à ces sources intermittentes dans le temps, locales dans leur production et peu prévisibles. Le stockage de ces énergies sous forme chimique est l’une des solutions.

L’hydrogène et ses dérivés azotés tels que l’ammoniac font partie de ces molécules chimiques stockeuses. L’ammoniac, de formule chimique NH3, cet « autre » hydrogène fait donc partie intégrante de l’économie de l’hydrogène qui est en train de se mettre en place. L’Agence internationale de l’énergie (IEA) a récemment montré que l’ammoniac, molécule fortement hydrogénée (3 atomes d’hydrogène, contre 2 pour le dihydrogène) est beaucoup moins coûteux à stocker sur une longue période que l’hydrogène (0,5 $/kg-H2 pour l’ammoniac contre 15 $/kg-H2 pour l’hydrogène sur une période de 6 mois)), et au moins trois fois moins coûteux à transporter en mer ou sur terre. Deux solutions sont alors envisageables : soit utiliser l’ammoniac comme un vecteur d’hydrogène (en décomposant l’ammoniac) soit l’utiliser comme combustible dans les systèmes énergétiques industriels stationnaires ou instationnaires (brûleurs industriels, générateur d’électricité, transports). Son avantage est considérable : la combustion de NH3 ne génère que de l’eau et de l’azote : aucune émission de molécules carbonées (CO2, CO), ni de particules de suies.

Un peu d’histoire

L’idée d’utiliser l’ammoniac comme combustible n’est pas si récente, puisque les premières utilisations comme carburant pour véhicule remontent aux années 1930-1940 (en Norvège et en Belgique).

Dans les années 70, le Département de l’Energie des USA a publié de nombreux articles sur le potentiel de l’ammoniac comme carburant que ce soit pour des moteurs type essence ou diesel, notamment pour des usages militaires et même comme liquide de propulsion pour certains avions fusées dans les années 60 dans le cadre d’une série de missions suborbitales. Il faut toutefois attendre les années 2010, pour que de nouveaux essais sur véhicule voient le jour. Il est à noter, que l’idée était qu’une substitution partielle du carburant conventionnel. Depuis que l’office Maritime Internationale a clarifié sa feuille de route stratégique pour entamer la décarbonisation de ce secteur, les annonces sont claires : l’ammoniac fera partie de l’éventail des solutions explorées. Il en est de même pour le secteur aérien. De plus, depuis ces 10 dernières années, dans une vision de Power to Gas to Power, donc de production d’électricité, le potentiel de l’utilisation partielle d’ammoniac pour les groupes énergétiques stationnaires tels que les turbines à gaz a commencé à être exploré. Tout récemment, de nouvelles études montrent qu’il est intéressant de l’utiliser dans des brûleurs industriels fonctionnant au charbon ou au gaz de cokeries pour décarboner ce type d’installations. 

La réalité scientifique aujourd’hui : l’ammoniac, un combustible connu ou méconnu ?

Les caractéristiques de combustion de l’ammoniac n’atteignent pas celles de combustibles conventionnels. Par exemple, l’ammoniac facilement stockable sous forme liquide (bien plus que l’hydrogène puisqu’il suffit de le pressuriser à 10b contre 700 b pour l’hydrogène à 20°C) possède une densité énergétique volumique (11,5 MJ/L) environ 3 fois plus faible que le gazole ou deux fois moins que l’éthanol mais du même ordre que le méthanol et mieux que le méthane et plus de deux fois celle de l’hydrogène. Sa température d’ébullition est proche de celle du GPL par exemple. Sa température d’auto-allumage est très élevée (650°C), limitant les risques d’explosion mais sa vitesse de combustion est cinq fois plus lente que celle du gaz naturel ou de l’essence. De plus, selon les conditions d’utilisation, sa combustion peut engendrer de fortes émissions d’oxydes d’azote (NOx) mais la prédiction de cette émission n’est pas encore fiable.

En 2020, les scientifiques ne disposent pas (encore) d’une compréhension fine de sa combustion malgré une production de publications scientifiques qui a triplé ces 5 dernières années. De nombreuses études sont encore nécessaires pour améliorer la cinétique chimique de combustion de cette molécule, en particulier selon les différentes conditions de mélanges, de températures et de pressions induites par l’utilisation de cette combustion. De même, les caractéristiques de propagation de la flamme d’ammoniac sont mal connues (stabilité de flamme, interaction flamme-turbulence, propagation selon les conditions de mélange, d’oxydant et les conditions initiales liées à la technologie d’application).

Le laboratoire PRISME de l’université d’Orléans et le laboratoire ICARE-CNRS ont initié depuis ces 5 dernières années des recherches sur la combustion de l’ammoniac, en particulier dans le cadre du labex CAPRYSSES (Cinétique chimique et Aérothermodynamique pour les Propulsions et les Systèmes Energétiques Propres et Surs). Cette recherche fondamentale mais avec une vision applicative (turbine à gaz, moteurs thermiques) a mené à la participation récente à deux projets H2020 : FLEXn CONFU (FLEXibilize combined cycle power plant through Power to X solutions using non-CONventional FUels) et Arenha (Advanced Materials and Reactors for Energy Storage through Ammonia), ce dernier en tant que partie tierce pour PSA Groupe.   

Pour aller plus loin

Mounaïm-Rousselle, P. Brequigny, Ammonia as Fuel for Low-Carbon Spark-Ignition Engines of Tomorrow’s Passenger Cars, Frontiers in Mechanical Engineering, VOL. 6, 2020, https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fmech.2020.00070

K.H.R. Rouwenhorst, O. Elishav, B. Mosevitzky Lis, G.S. Grader, C. Mounaïm-Rousselle, A. Roldan, A. Valera-Medina, Chapter 13 – Future Trends, Editor(s): A. Valera-Medina, R. Banares-Alcantara, Techno-Economic Challenges of Green Ammonia as an Energy Vector, Academic Press, 2021, Pages 303-319, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820560-0.00013-8.

Mounaïm-Rousselle, Ammonia as fuel for land transport: an utopia ?, http://www.smartcats.eu/wp-content/uploads/2019/05/NH3_fuel_smartcatMOUNAIM-ROUSSELLE.pdf

P. Shrestha, C. Lhuillier, A. Alves-Barbosa, P. Brequigny, F. Contino, C. Mounaïm-Rousselle, L. Seidel, F. Mauss, An experimental and modeling study of ammonia with enriched oxygen content and ammonia/hydrogen laminar flame speed at elevated pressure and temperature, Proceedings of the Combustion Institute, 2020, https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.06.197.

Lhuillier, P. Brequigny, F. Contino, C. Mounaïm-Rousselle, Experimental investigation on ammonia combustion behavior in a spark-ignition engine by means of laminar and turbulent expanding flames, Proceedings of the Combustion Institute, 2020, https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.08.058.

Lhuillier, P. Brequigny, N. Lamoureux, F. Contino, C. Mounaïm-Rousselle, Experimental investigation on laminar burning velocities of ammonia/hydrogen/air mixtures at elevated temperatures, Fuel, Volume 263, 2020, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116653.

Lhuillier, P. Brequigny, F. Contino, C. Mounaïm-Rousselle, Experimental study on ammonia/hydrogen/air combustion in spark ignition engine conditions, Fuel, Volume 269, 2020, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117448.