Des cargos écolos grâce à l’ammoniac vert

Si les batteries peuvent parfaitement convenir pour des ferrys plus verts, leur poids et leur coût ne permettent pas d’imaginer franchir les océans et mers du globe, ce qui est le pain quotidien des gros cargos caractéristiques du transport international – tankers, vraquiers et porte-conteneurs. Or ceux-ci sont responsables de 90% des émissions de CO₂ du transport maritime. Alors, comment réduire ces émissions à presque rien ?

L’Organisation Maritime Internationale a adopté en 2018 une stratégie visant à diviser par deux les émissions de gaz à effet de serre (GES) du transport maritime d’ici 2050 et à « poursuivre les efforts vers leur élimination ». Les économies d’énergie à la conception des navires ou à leur utilisation (notamment la réduction des vitesses), et l’assistance éolienne avec des voiles rigides automatiques, ne peuvent pas, à elles seules, atteindre cet objectif.

Les affréteurs, les constructeurs, les compagnies de transport et même les financiers du secteur ont tous compris aujourd’hui qu’il faudrait introduire rapidement des cargos « zéro émissions ». Ceux qui avaient misé sur le gaz naturel liquéfié, comme le français CMA CGM,  ont fait fausse route avec une technologie qui réduit peu, voire pas du tout, les émissions de GES, notamment du fait des fuites de méthane en amont de la chaîne d’approvisionnement, et lors du fonctionnement des moteurs.

Vers quels carburants verts se tourner ?

Quelles sont les solutions, et vers quels carburants verts se tourner ? Les biocarburants – au moins certains d’entre eux – auraient le gros avantage de pouvoir être utilisés tels quels dans les moteurs des navires actuels. Mais nul n’ignore que les quantités disponibles sont limitées par la compétition pour la terre, l’eau, la production alimentaire, et la préservation de la biodiversité. Mais aussi par les nombreux autres usages énergétiques de la biomasse.

On pourrait augmenter la production de carburants « soutenables » par synthèse d’hydrogène vert, lequel serait combiné à du carbone que l’on pourrait aller chercher dans la biomasse (ou dans l’air). Mais cela coûtera cher… et le secteur craint fortement, non sans raison, de se trouver ici en concurrence avec l’aviation, dont le pouvoir d’achat paraît plus important et qui surtout n’a pas d’autre solution.

Certains ont songé au méthanol, un alcool simple moins cher à fabriquer à partir de l’hydrogène qu’un hydrocarbure. Mais il présente malgré tout le même défaut de remettre du CO₂ en circulation. Il faudrait donc aussi aller le chercher dans la biomasse (ou directement dans l’air) pour atteindre la « neutralité carbone ».

Hydrogène : trop compliqué

Pour aller vers des navires vraiment zéro émissions, il reste deux « carburants sans carbone » : l’hydrogène et l’ammoniac.

L’hydrogène est compliqué à mettre en œuvre. Il faut le liquéfier à -253°C et le conserver à l’abri de toute chaleur. Or comme ceci n’est pas possible, une ébullition constante doit être gérée. Il faut approvisionner les ports (ou le fabriquer sur place), le transvaser sur les navires… dont il faut repenser entièrement la propulsion, probablement avec des piles à combustibles. Mais celles-ci n’existent pas pour l’instant dans la gamme de puissance nécessaire. Les questions de sécurité à bord et surtout dans les ports sont complexes.

L’ammoniac est l’option privilégiée

L’ammoniac (NH₃), constitué d’azote et d’hydrogène, fait désormais figure d’option privilégiée. Gazeux à température et pression standard, on le liquéfie à -33°C, on peut le garder liquide à 10 bars ou, de préférence, sous forme « cryo-compressée », toutes choses bien maîtrisées industriellement. Il est plus lourd mais plus dense que l’hydrogène liquide, c’est-à-dire quand même 3,6 fois plus volumineux qu’un produit pétrolier (contre 4,8 fois plus pour l’hydrogène liquide).

On peut l’utiliser dans certaines piles à combustibles ou dans les gros moteurs diesel des navires actuels, après quelques modifications. Notons au passage que ces moteurs à long débattement et très lents atteignent une efficacité de 50%… égale ou supérieure à celle des piles à combustible approchant leur puissance nominale[1].

Bien sûr l’ammoniac n’est pas sans défaut. Il brûle les yeux, agresse les poumons et sent fort. Mais la forte odeur est en réalité un facteur de sécurité : la moindre fuite est rapidement détectée. S’il ne présente pas de toxicité à long terme, une exposition massive peut tuer. Depuis 170 ans qu’on l’emploie comme réfrigérant, et un siècle comme matière première pour les engrais azotés[2], les accidents ont cependant été très rares.

Mais l’ammoniac s’enflamme difficilement. Si c’est aussi un gage de sécurité, c’est évidemment ennuyeux pour un moteur thermique. Pour assurer une bonne combustion, il faut lui adjoindre un « carburant pilote » plus facilement inflammable. Soit un hydrocarbure (bio de préférence), soit… de l’hydrogène, qui peut être simplement extrait de l’ammoniac à bord du navire. L’opération devient simple dès lors qu’il n’est pas nécessaire de purifier cet hydrogène, ni même de le séparer de l’azote et de l’ammoniac, envoyés tous ensemble dans la chambre de combustion.

Autre inconvénient : sa combustion produit des oxydes d’azote (NOx). Un système de dépollution par réduction catalytique sélective est indispensable. Et l’ammoniac lui-même peut servir de catalyseur, comme sur les poids-lourds avec des produits comme AdBlue ou ClearNox. Au final, le même produit sert de fioul principal, de carburant pilote, et de réducteur de NOx, comme sur le schéma ci-dessous.

Source: de Vries, 2019, Safe and effective application of ammonia as a marine fuel, http://repositery.tudelft.nl

Les grandes manœuvres ont commencé

L’ammoniac n’est pas une nouveauté pour le monde maritime. Il sert souvent de réfrigérant sur les bateaux, dont beaucoup utilisent déjà la réduction catalytique des NO_x dans les zones d’émissions contrôlées. L’ammoniac est lui-même transporté par bateaux : 10 millions de tonnes par an voyageant sur les mers du globe. Des dizaines de ports sont déjà équipés de dispositifs de chargement/déchargement.

Le changement est en marche. Les principaux fabricants de moteurs – MAN ES, Wärtsilä – ont entrepris de mettre au point les nouveaux systèmes d’injection pour leurs moteurs. Des constructeurs chinois, coréens, japonais, américains dessinent d’énormes cargos adaptés à l’ammoniac, y compris des porte-conteneurs « ultra-larges ». Aucun navire conçu pour fonctionner à l’hydrogène ou même à l’ammoniac avec une pile à combustible n’approche, même de loin, de telles tailles. Et les plus récents des navires aujourd’hui en service pourront être modifiés, permettant à la transition d’aller plus vite que le lent renouvellement des flottes.

Du côté de l’offre, les grandes manœuvres ont également commencé. Parmi la quinzaine de grands projets d’hydrogène vert annoncés destinés à l’exportation, une moitié vise la production d’ammoniac, pour le marché du transport maritime (et celui des centrales électriques japonaises). Certains dépassent les 10 gigawatts de puissance renouvelable et de capacités d’électrolyse. La production « tout-électrique » d’ammoniac, associant électrolyse, séparation cryogénique de l’azote de l’air et synthèse de l’ammoniac dans des boucles « Haber-Bosch » ne date pas d’aujourd’hui, elle a été mise en œuvre tout au long du XXe siècle pour fabriquer des engrais azotés, le plus souvent à partir d’hydroélectricité. La seule innovation consistera à l’adapter à la production variable solaire et/ou éolienne[3].

[1] Voir ADEME, 2020, Rendement de la chaîne hydrogène, Fiche Technique, www.ademe.fr.

[2] Sauf lorsqu’il sert de matière première à la fabrication de nitrate d’ammonium, comme à Toulouse (2001) ou Beyrouth (2020). Lequel sert lui-même à fabriquer des engrais… et des explosifs.

[3] Voir Armijo, J. et C. Philibert, 2020, Flexible production of green hydrogen and ammonia from variable solar and wind energy : Case study of Chile and Argentina, International Journal of Hydrogen Energy, 45(3): 1541-58.