En photo : A – Frantz Haber B – Carl Bosch
Introduction
Ce processus chimique, qui synthétise l’ammoniac à partir de l’azote de l’air et de l’hydrogène, est la pierre angulaire de la production moderne d’engrais azotés. Il a révolutionné l’agriculture, augmentant la fertilité des champs et contribuant à nourrir une population mondiale en constante croissance.
Qu’est-ce que le Procédé Haber-Bosch?
Pour comprendre cette prouesse, voyageons dans le temps.
C’est Antoine Lavoisier qui, en premier, découvre ce qu’il appellera l’azote.
En 1784, Claude Louis Berthollet démontre que l’azote est essentiel à toute forme de vie animale et établit que combiné avec de l’hydrogène, cela produisait de l’ammoniac.
La découverte de l’importance de l’azote en agriculture marque le début des importations de guano du Pérou, puis de salpêtre de l’Atacama.
À partir du milieu du xixeme siècle, plusieurs tentatives furent faites pour extraire le diazote de l’atmosphère, certaines furent couronnées de succès. L’une des plus abouties fut le procédé Birkeland-Eyde exploité par Norsk Hydro : pendant la 1ére Guerre mondiale, cette société put produire annuellement jusqu’à 30 000 tonnes d’azote fixé. Également, à partir des années 1850, l’industrie du charbon parvint à extraire l’ammoniac comme sous-produit lors de la fabrication du coke: elle fut le plus important producteur d’ammoniac avant la mise au point du procédé Haber-Bosch, moins coûteux.
Fritz Haber est un chercheur travaillant plutôt sur l’électrochimie et la chimie de la combustion. Dès 1904, il se lance dans la synthèse d’ammoniac, obtient le soutien de BASF en 1908 et dépose son premier brevet la même année.
Le chimiste Carl Bosch, qui a convaincu sa hiérarchie, prend la tête du projet. L’industrialisation n’est pas simple mais dès 1912, la production quotidienne atteignait 1 tonne d’ammoniac !
Aujourd’hui l’ammoniac est la seconde molécule la plus produite dans la monde par les industries chimiques : plus de 180 millions de tonnes par an.
Les Principes Chimiques Impliqués
La réaction fondamentale au cœur du procédé Haber-Bosch est la suivante : N2+3H2→2NH3. Elle se déroule en présence d’un catalyseur à base de fer, sous des conditions spécifiques :
Température : entre 400 et 500°C Pression : 300 atmosphères
Ces conditions extrêmes sont nécessaires pour briser les molécules très stables d’azote N2 et permettre leur combinaison avec l’hydrogène H2 pour former de l’ammoniac NH3.
Impact Économique du Procédé Haber-Bosch
L’introduction du procédé Haber-Bosch a eu un impact monumental sur l’agriculture mondiale, principalement à travers la disponibilité et la baisse des coûts des engrais azotés.
Ces engrais ont permis d’augmenter la productivité des sols, en fournissant de l’azote facilement assimilable par les plantes, ils ont significativement augmenté les rendements agricoles.
Considérations Environnementales
Bien que bénéfique pour l’agriculture, le procédé Haber-Bosch a aussi des répercussions écologiques non négligeables. La production d’ammoniac est énergivore et contribue significativement aux émissions de gaz à effet de serre, en raison de la consommation d’énergies fossiles pour la production de l’hydrogène nécessaire.
Le gaz naturel fournit, en 2015, dans le monde, 69 % de l’ hydrogène nécessaire à la fabrication des engrais azotés. Le charbon et le gaz de cokerie comptent pour 29 % (95 % en Chine), le fuel ou le naphta pour 2 %.
La seule production de l’ammoniac génère plus de 2% des GES mondiaux
Défis Techniques et Solutions
Des efforts sont en cours pour intégrer des procédés décarbonés pour la production d’hydrogène : comme l’électrolyse de l’eau utilisant l’énergie solaire ou éolienne, réduisant ainsi les émissions de CO2.
Des chercheurs du monde entiers travaillent à inventer des systèmes alternatifs au procédé Haber-Bosh.
L’un d’eux : Doug MacFarlane développe la voie électro catalytique.
C’est après des échanges avec lui et d’autres chercheurs, rencontrés lors des « Faraday discussions » de la Société Royale de Chimie de Londres et lors du 2éme Symposium de l’Ammoniac à Orléans, que je me suis lancé dans le projet N-VERT pour, avec eux, trouver des nouveaux procédés de production de l’engrais azoté.
