La production d’ammoniac NH3 est une des plus importantes synthèses de la chimie industrielle. On en produit en France moins de 700 000 tonnes alors que la production mondiale est de plus de 180 millions de tonnes. L’ammoniac est majoritairement utilisé pour fabriquer les engrais azotés : urée, nitrate d’ammonium ainsi que les explosifs civils et militaires par l’intermédiaire de l’acide nitrique mais aussi une foule d’applications : acrylonitrile, fluide réfrigérant, etc. En France, quatre usines le produisent. Elles sont situées près de Rouen, Le Havre, au sud de l’Alsace et en Seine et Marne. Cette dernière, située à Grandpuits vient d’ailleurs de cesser sa production. Toutes appartiennent à des groupes étrangers : norvégien et tchèque. L’hydrogène nécessaire à la production d’ammoniac provient majoritairement en France du gaz naturel et ces usines sont pénalisées par le coût du méthane qui fluctue en fonction de la situation internationale.
Au XIXème siècle les engrais azotés et l’acide nitrique étaient obtenus à partir du guano et du caliche d’Amérique du Sud. À la fin de ce siècle, les ressources étant susceptibles de se tarir ou l’approvisionnement d’être perturbé, il a fallu tenter d’obtenir l’ammoniac d’une autre manière. Les chimistes ont commencé à travailler sur la synthèse de l’ammoniac à partir de l’azote de l’air et de l’hydrogène. Malheureusement le diazote est une molécule où les deux atomes sont liés par une triple liaison et sa réactivité est très faible. C’est seulement en 1909 que le chimiste allemand, Fritz Haber, va réaliser la synthèse. La réaction est une réaction équilibrée et exothermique. Elle est donc favorisée par les hautes pressions et la basse température. Cette basse température est antinomique avec la cinétique de la réaction qui demande une température élevée, ce qui implique un catalyseur. De plus le faible rendement impose un important recyclage des gaz.
En 1919, Carl Bosch de la BASF met au point la synthèse industrielle. Elle est techniquement très complexe car elle nécessite une pression de plusieurs centaines de bars et plusieurs centaines de degrés. De plus, à ces températures et pressions, l’hydrogène et l’azote fragilisent le métal (d’où l’explosion du réacteur d’ammoniac à Mazingarbe le 1er mars 1972). Le premier réacteur industriel a d’ailleurs été réalisé par le fabricant de canons Krupp. Les difficultés techniques vont en partie être résolues et en 1918, 100 000 tonnes d’azote étaient consommées par le procédé Haber Bosch. Ceci a permis aux allemands de surmonter le blocus sur les minerais d’Amérique du Sud et de fabriquer les explosifs pendant la première guerre mondiale. Après la guerre, l’ammoniac allemand a permis de produire de grosses quantités d’engrais azotés. C’est pour cela que le 21 septembre 1921 (exactement 80 ans avant l’explosion, due à des nitrates d’ammonium, à l’usine AZF de Toulouse) un important stockage d’engrais contenant du nitrate d’ammonium a explosé détruisant la ville d’Oppau. Actuellement diverses sociétés produisent des réacteurs pour la synthèse de l’ammoniac. On peut citer les noms de Casale, Haldor Topsoe, Kellog, Brown and Root, etc. Ce sont des merveilles de technologie, beaux exemples d’application de la science du génie des procédés et de la métallurgie.
La production d’ammoniac étant vitale pour les engrais azotés et étant à l’origine d’une forte pollution, elle fait l’objet de nombreuses recherches que l’on peut classer en trois points :
Le premier consiste à séquestrer le CO2 produit ou à utiliser de l’hydrogène plus vert en remplaçant sa production à partir du charbon ou des hydrocarbures par de l’hydrogène provenant de l’électrolyse de l’eau voire l’hydrogène naturel.
Le deuxième point consiste en l’amélioration du catalyseur pour réaliser la synthèse dans des conditions plus douces en pression et en température. Les premiers catalyseurs étaient à base de fer. Diverses recherches montrent l’efficacité du ruthénium et plus récemment de complexes du lutécium.
Le troisième point correspond à divers essais susceptibles d’applications à très long terme du type : utilisation de plasma pour affaiblir la triple liaison azote-azote ou tenter d’imiter les plantes dont certaines comme les légumineuses sont capables d’absorber l’azote de l’air.
On constate que la synthèse de l’ammoniac réalisée depuis plus de cent ans fait toujours l’objet d’importantes recherches susceptibles de résoudre tous les problèmes économiques et environnementaux que sa production implique.
Alain Delacroix
Professeur honoraire, chaire « Chimie industrielle – Génie des procédés » du Conservatoire national des arts et métiers