Comment l'ammoniac pourrait changer le jeu de l'énergie

30/11/2022

Le monde est confronté au défi des besoins énergétiques - équilibre entre l'offre et la demande, les coûts et l'impact environnemental - et l'une des solutions potentielles à ce problème est l'hydrogène. 

L'hydrogène est prometteur comme source de carburant pour les moteurs à combustion, les piles à combustible et comme alternative au chauffage au gaz naturel. Le seul vestige de sa combustion est l'eau et il existe plusieurs façons de produire le gaz sans la menace d'émissions de carbone.

Cependant, l'hydrogène gazeux pur est coûteux à produire de manière durable et encore plus coûteux à stocker et à transporter par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Les chercheurs en énergie ont tenté de trouver les meilleurs moyens de se procurer de l'hydrogène ainsi que les méthodes les plus pratiques pour son transport afin qu'il soit un véritable concurrent du gaz naturel ou de la pétrochimie. Il existe plusieurs façons d'aborder ce problème, découvrez-en plus ci-dessous.

Alors que l'hydrogène est actuellement plus cher que l'essence, une bonne infrastructure pourrait le ramener à un niveau comparable.
Alors que l'hydrogène est actuellement plus cher que l'essence, une bonne infrastructure pourrait le ramener à un niveau comparable.

Limites de l'hydrogène 

Pour toutes ses utilisations, l'hydrogène diatomique pur a des limites qui l'empêchent d'être pratique à plus grande échelle. La production de carburant hydrogène n'est pas strictement exempte de gaz à effet de serre, et il existe à la fois des solutions durables et non durables. méthodes de fabrication dont il faut tenir compte. La plus prometteuse actuellement est la séparation électrolytique de l'eau (utilisant des énergies renouvelables), qui produit en conséquence des gaz d'hydrogène et d'oxygène.

Une fois le problème de la production résolu, la question de l'efficacité se matérialise - à pression et température ambiantes, il n'y a tout simplement pas assez d'énergie par unité de volume d'hydrogène gazeux pour fournir une mesure comparable par rapport aux combustibles fossiles. La densité énergétique de l'hydrogène gazeux par kilogramme est presque trois fois supérieure à celle des combustibles traditionnels, mais la capacité énergétique réaliste par litre est des ordres de grandeur plus petits. 

Bien que l'hydrogène gazeux puisse être comprimé sous haute pression, cela nécessite un équipement spécialisé ainsi que encore plus d'énergie pour le faire, et ne peut encore atteindre qu'environ 5% d'hydrogène par unité de poids (où les 95% restants sont le poids du récipient sous pression ). Il en va de même pour l'hydrogène liquéfié qui nécessite une température de -253 °C ou moins, ce qui nécessite un équipement de refroidissement et une puissance supplémentaire. 

Solutions potentielles 

La meilleure solution pour une utilisation et un transport efficaces de l'hydrogène que les scientifiques ont trouvé n'est pas du tout de l'hydrogène pur. Il existe des alternatives qui ont beaucoup de potentiel, à savoir le stockage chimique et le stockage physique.

Le stockage chimique est l'endroit où les atomes d'hydrogène sont stockés dans les molécules par le biais de liaisons chimiques, pour être libérés après une réaction chimique. Il existe de nombreuses options potentielles pour les transporteurs chimiques d'hydrogène, tels que les hydrures métalliques ou les molécules organiques (par exemple, les alcools, les glucides).

Pour être le plus efficace, un matériau doit avoir une capacité en hydrogène d'au moins 7 % en poids et avoir une température de travail comprise entre 0 et 100 °C. De nombreux hydrures métalliques nécessitent une température d'au moins 200°C pour libérer de l'hydrogène. Les hydrocarbures organiques sont dans une position similaire, avec l'inconvénient supplémentaire d'émettre du CO2 comme produit de réaction.

Les matériaux poreux ont une surface en volume extrêmement élevée et peuvent adsorber des atomes ou des molécules telles que l'hydrogène à l'intérieur des pores.
Les matériaux poreux ont une surface en volume extrêmement élevée et peuvent adsorber des atomes ou des molécules telles que l'hydrogène à l'intérieur des pores.

Les options de stockage physique permettent à l'hydrogène d'être adsorbé sur la surface d'un matériau en quantités bien plus importantes que de laisser le gaz contenu par lui-même. Les plus courants d'entre eux sont des matériaux spongieux très poreux, tels que le charbon actif ou les structures organométalliques (MOF). Un MOF rapporté en 2020 s'est avéré atteindre une capacité d'hydrogène exceptionnelle de 14% en poids. La limitation de nombreux MOF, cependant, est qu'ils effectuent mieux l'adsorption à très basse température (beaucoup autour de -200 ° C) et perdent de leur efficacité à mesure que la température augmente.

Le rôle de l'ammoniac 

L'ammoniac s'est déjà fait un nom en tant que composant essentiel des engrais, avec une production annuelle mondiale dépassant les 200 millions de tonnes en 2021. Il a également suscité l'inspiration en tant que méthode de stockage chimique de l'hydrogène.

La méthode actuelle de production d'ammoniac n'est pas verte - le procédé Haber consiste à faire réagir ensemble de l'azote gazeux et de l'hydrogène gazeux à des températures et des pressions élevées, où l'hydrogène en question provient le plus souvent de combustibles fossiles. Cependant, les scientifiques de l'énergie font des progrès avec des méthodes de production alternatives, telles que les piles à combustible et les réacteurs à membrane, qui peuvent donner à l'ammoniac une empreinte plus verte pour les carburants, les engrais, etc.

La principale utilisation industrielle de l'ammoniac est dans les engrais comme source d'azote.
La principale utilisation industrielle de l'ammoniac est dans les engrais comme source d'azote.

L'ammoniac est une molécule inorganique, composée d'un atome d'azote et de trois atomes d'hydrogène. Cette densité d'hydrogène en fait un vecteur chimique attractif d'hydrogène à des fins énergétiques, comme alternative au transport d'hydrogène liquide pur. Plutôt que de nécessiter des températures inférieures à –253°C, l'ammoniac est un liquide à seulement –77°C à la pression atmosphérique, ou jusqu'à –10°C sous des pressions légèrement plus élevées. De plus, l'ammoniac ne contient pas de carbone et présente donc un grand potentiel en tant que source de carburant neutre en carbone. Il peut être divisé en hydrogène et en azote gazeux dans une pile à combustible inversée, où l'azote diatomique peut simplement rejoindre l'atmosphère sans nuire à l'environnement.

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Sources:

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