Stockage ultime de l’énergie : Ammoniac

Défis de l’énergie verte

Avec le changement climatique qui provoque des conditions météorologiques extrêmes plus fréquentes et le GIEC qui fixe des objectifs de réduction des émissions pour éviter une augmentation de la température de 1,5 degré supplémentaire, le monde fait des efforts pour passer aux énergies renouvelables. La transition mondiale des combustibles fossiles vers l’énergie verte étant en cours, il est nécessaire de stocker et de transmettre cette énergie verte sur de longues distances. L’ammoniac est bien adapté à ces deux applications, car à température ambiante, l’ammoniac liquide est un vecteur d’hydrogène très efficace qui peut être facilement transporté. Les piles à combustible qui peuvent exploiter l’hydrogène de l’ammoniac offrent des percées significatives pour surmonter les principaux défis de l’énergie verte :

• Fournir de l’énergie verte lorsque les autres énergies renouvelables sont disponibles de manière intermittente

L’énergie solaire est produite uniquement lorsque le soleil brille. L’énergie éolienne n’est produite que lorsque le vent souffle. Le fait que la disponibilité de ces sources d’énergie renouvelable de plus en plus populaires soit limitée par les conditions météorologiques prend de l’importance à mesure que ces sources d’énergie représentent une part plus importante de l’énergie totale produite. Le décalage entre la production d’énergie renouvelable et la demande des consommateurs est illustré par la désormais célèbre courbe des énergies renouvelables ; les fluctuations des bilans énergétiques causées par les énergies renouvelables posent de sérieux problèmes aux compagnies d’électricité qui doivent répondre à cette demande. La réponse à ce défi viendra des solutions de stockage des énergies renouvelables facilement disponibles. Les piles à combustible à haute disponibilité peuvent être un composant important de ces solutions.

• Mettre à profit la capacité excédentaire des énergies renouvelables

Au lieu de réduire la capacité excédentaire générée par les énergies renouvelables, cette énergie excédentaire peut être stockée sous forme d’ammoniac liquide pour une utilisation future par les piles à combustible. Cette source d’ammoniac serait une alternative propre à l’ammoniac industriel qui est produit via le processus de production Haber-Bosch.

• Offrir une alternative verte et moins coûteuse au diesel
  Les générateurs au diesel ont jusqu’à présent joué un rôle majeur dans la fourniture d’électricité dans les économies de réseau pauvres des pays en développement. Ces générateurs sont au moins partiellement responsables de la pollution atmosphérique due au diesel et à d’autres combustibles fossiles, qui cause la mort de 7 millions de personnes dans le monde chaque année. Remplacer le carburant diesel par de l' »ammoniac vert » comme vecteur d’énergie permettrait de mettre une énergie verte, propre et fiable à la disposition des 3,5 milliards de personnes qui vivent dans des zones non raccordées au réseau ou dans des zones à faible réseau. Le lancement de la solution hors réseau GenCell A5 pour les tours de télécommunication et l’électrification rurale fonctionnant à l’ammoniac permettra l’accès à l’énergie pour des millions de personnes qui sont aujourd’hui encore hors réseau.

Approches du stockage des énergies renouvelables

Jusqu’à aujourd’hui, le marché de l’énergie s’est principalement concentré sur deux approches principales du stockage des énergies renouvelables – les batteries rechargeables et l’hydrogène. Des technologies variées sont utilisées pour développer des batteries rechargeables de différents types et tailles. Les avantages des batteries sont l’efficacité énergétique et une longue durée de vie grâce à la recharge et à la transportabilité. En revanche, leurs inconvénients sont leur poids et leur encombrement importants, leurs coûts de production élevés, leur détérioration rapide, les risques de sécurité et les problèmes liés à leur élimination.

Parallèlement aux batteries, une autre tendance populaire pour le stockage de l’énergie est basée sur la technologie de l’hydrogène, comme les applications qui exploitent l’hydrogène pour faire fonctionner les piles à combustible, les véhicules rechargeables et les machines mobiles, entre autres applications innovantes. Des applications telles que l’électrolyse produisent de l’hydrogène propre et vert à partir de l’eau à l’aide d’un surplus d’énergie renouvelable ; cet hydrogène peut être transporté, stocké et permettre une ré-électrification à l’aide de piles à combustible.

La capacité de stockage de l’énergie sous forme d’hydrogène est bien supérieure à celle des batteries. Alors pourquoi cette technologie n’a-t-elle pas conquis le marché ? La raison est que le stockage de l’énergie sous forme d’hydrogène est un défi. Il n’est pas simple de construire une infrastructure viable pour l’acheminement de l’hydrogène depuis les sites de production jusqu’aux sites de consommation. La production massive et centralisée d’hydrogène, sous forme gazeuse ou liquide, entraîne des coûts de livraison et de distribution élevés, tandis que la production distribuée à faible volume est d’un coût prohibitif. La livraison de l’hydrogène est limitée par des coûts élevés, des pertes d’efficacité énergétique en transit, des problèmes de pureté de l’hydrogène et une propension aux fuites.

Les scientifiques travaillent sur de nouveaux transporteurs d’hydrogène pour surmonter ces contraintes. Les transporteurs d’hydrogène peuvent stocker l’hydrogène dans un état chimique autre que les molécules d’hydrogène libre. Une méthode intéressante pour délivrer l’hydrogène consiste à hydrater un composé chimique sur le site de production, puis à le déshydrater au point de livraison ou dans une pile à combustible. Les vecteurs potentiels comprennent les technologies de stockage chimique et physique telles que les hydrures métalliques, les nanostructures de carbone ou autres et les hydrocarbures réversibles. D’autres approches consistent à pomper l’hydrogène dans des cavernes souterraines, dont beaucoup ont été créées par des activités minières, où il est stocké en toute sécurité. La technologie « Power to Gas » injecte l’hydrogène dans le gaz naturel qui est transporté par l’infrastructure existante. La combustion libère l’énergie ; en remplaçant 20 % du carbone par de l’hydrogène, les émissions sont de même réduites de 20 %.

L’ammoniac comme vecteur énergétique

Une autre option consiste à utiliser l’ammoniac comme vecteur énergétique. Les avantages sont nombreux. Tout d’abord, l’ammoniac est économique. Disponibilité – deuxième produit chimique le plus répandu dans le monde, 200 millions de tonnes d’ammoniac sont produites par an. Transportabilité – l’ammoniac est facile à stocker et ne nécessite pas de stockage sous haute pression. Un autre avantage clé est la compatibilité chimique de l’ammoniac avec les piles à combustible alcalines qui utilisent un électrolyte alcalin. Et lorsque l’ammoniac est craqué pour produire de l’hydrogène, aucun polluant nocif n’est émis. Comme il n’y a pas de carbone, aucun sous-produit de carbone n’est produit – l’ammoniac est donc une option « neutre en carbone » pour l’avenir. Bien que l’ammoniac soit un produit chimique toxique à l’odeur puissante, lorsqu’il est manipulé avec soin et conformément aux réglementations, il est utilisé en toute sécurité dans l’agriculture, la réfrigération, les semi-conducteurs, les teintures capillaires et la purification de l’eau, entre autres applications. Mais le plus grand avantage de l’ammoniac comme vecteur d’hydrogène est le fait qu’en tant que liquide, avec une pressurisation légère et sans contraintes cryogéniques, il offre une densité de stockage d’hydrogène élevée.

Aujourd’hui déjà, GenCell a développé une pile à combustible qui tire parti de l’ammoniac liquide pour alimenter une solution d’alimentation hors réseau qui agit comme une « nano-centrale électrique » autonome au-delà du réseau, nous permettant de remplacer les générateurs diesel polluants en fournissant de l’électricité au-delà du réseau. Aujourd’hui, ces piles à combustible fonctionnent avec de l’ammoniac produit industriellement, principalement par le procédé Haber-Bosch, couramment utilisé mais très polluant. Dans le procédé de synthèse de l’ammoniac Haber-Bosch, l’azote réagit avec l’hydrogène à l’aide d’un catalyseur métallique. Le processus est mené à une pression de 200 atm et à des températures de réaction élevées, proches de 500°C. Certains affirment que le procédé Haber-Bosch est l’un des principaux responsables de l’accumulation d’azote réactif dans la biosphère. Afin d’offrir une énergie totalement verte, nous travaillons au développement d’un procédé écologique pour créer de l’ammoniac vert qui puisse remplacer le procédé Haber-Bosch polluant. Cela permettrait de produire industriellement de l’ammoniac propre en utilisant de l’énergie renouvelable pour un large éventail d’applications, allant des engrais et de la purification de l’eau à la fourniture de carburant pour les solutions de piles à combustible alcalines. Comme cette équation ne comprend pas de carbone, cette technologie nous permettra, une fois arrivée à maturité, de disposer d’une production d’énergie distribuée 100 % verte. Nous envisageons de mettre en place une boucle énergétique entièrement propre en produisant de l’ammoniac vert sur place grâce à l’énergie solaire et éolienne, en utilisant l’ammoniac pour faire fonctionner des générateurs à piles à combustible alcalines n’importe où en dehors du réseau, en permettant l’électrification rurale et en rapprochant le monde de la parité du réseau. Pour plus d’informations, contactez-nous à [email protected].