De l’ammoniac à l’hydrogène : comment la Corée du Sud construit une chaîne d’approvisionnement en carburants plus propre

Pourquoi des chercheurs sud-coréens misent sur l’ammoniac pour produire de l’hydrogène propre

Des scientifiques sud-coréens ont démontré qu’il était possible de produire de l’hydrogène sans brûler de combustibles fossiles, en décomposant de l’ammoniac en hydrogène et en azote à haute température. À l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER), des ingénieurs font état d’un réacteur fonctionnant à près de 1 112 degrés Fahrenheit (environ 600 °C) et produisant de l’hydrogène d’une pureté de 99,97 %. Cette qualité convient aux piles à combustible pouvant alimenter des véhicules ou des bâtiments. Le projet vise à réduire les émissions de dioxyde de carbone de la chaîne d’approvisionnement en hydrogène, tout en recourant à des matériaux et à des procédés susceptibles d’être déployés à grande échelle.

L’hydrogène est déjà utilisé dans les trains, les avions lors de vols d’essai, les voitures, les bus et les navires. Pourtant, la majeure partie de l’hydrogène est aujourd’hui produite à partir de gaz naturel par reformage du méthane à la vapeur, un procédé qui rejette du dioxyde de carbone. Les méthodes de production propre se développent, notamment l’électrolyse de l’eau alimentée par l’éolien et le solaire. Le transport de l’hydrogène constitue un autre défi. Ce gaz est très peu dense : pour l’acheminer sur de longues distances, il faut le comprimer ou le liquéfier à des températures extrêmement basses. L’ammoniac, produit chimique bien connu dans la fabrication des engrais, offre une solution de contournement. Il est liquide dans des conditions modérées et transporte de l’hydrogène dans ses liaisons moléculaires. Si l’ammoniac peut être décomposé à destination en hydrogène propre et en azote, il devient un moyen pratique de relier les régions où l’énergie renouvelable est abondante à celles où la demande est forte.

Dans le réacteur du KIER : transformer l’ammoniac en hydrogène de qualité pour piles à combustible

Le craquage de l’ammoniac repose sur une réaction chimique simple. Lorsqu’elles sont chauffées en présence d’un catalyseur, les molécules d’ammoniac, NH3, se séparent en hydrogène et en azote. Une réaction équilibrée transforme deux molécules d’ammoniac en une molécule d’azote et trois molécules d’hydrogène. Le ruthénium, un métal précieux apparenté au platine, est un catalyseur couramment choisi pour son efficacité autour de 600 °C. Le dispositif du KIER suit cette voie catalytique, puis purifie le flux gazeux afin d’obtenir de l’hydrogène de qualité pour piles à combustible.

À sa sortie du réacteur de craquage, l’hydrogène est mélangé à de l’azote et à des traces d’ammoniac non réagi. L’adsorption par variation de pression, une étape de purification courante dans les raffineries, sépare les gaz. Des lits de matériaux poreux captent les contaminants sous pression, puis libèrent de l’hydrogène très pur lorsque la pression baisse. Plusieurs lits alternent entre adsorption et régénération pour assurer un débit constant. Le KIER décrit un réacteur logé dans un châssis métallique carré, équipé de tuyaux, de flexibles, de manomètres et de cylindres. Son système de commande recycle une partie des gaz de procédé pour maintenir des températures élevées sans brûleur à hydrocarbures. Cette approche évite les émissions directes de dioxyde de carbone au stade de la conversion.

Pourquoi l’ammoniac est un vecteur d’hydrogène particulièrement efficace

L’hydrogène est difficile à stocker et à transporter. L’hydrogène liquide nécessite des réservoirs cryogéniques maintenus à environ −253 °C. Il faut gérer les pertes par évaporation, et son transport exige d’importants investissements. L’ammoniac se liquéfie à environ −33 °C ou sous une pression modérée. L’industrie chimique le transporte déjà en grandes quantités dans le monde entier. Pour le secteur de l’énergie, cela signifie que les producteurs peuvent synthétiser de l’ammoniac là où l’énergie renouvelable est bon marché, l’expédier par bateau, puis le décomposer près des utilisateurs finaux.

Les essais industriels menés en Corée du Sud renforcent la crédibilité de ce modèle. Syzygy Plasmonics et Lotte Chemical ont testé à Ulsan un système de craquage de l’ammoniac entièrement électrique. L’installation a atteint un rendement énergétique de 81 %, un taux de conversion de 99 % et produit environ 290 kilogrammes d’hydrogène par jour. La consommation énergétique déclarée s’élevait à environ 11 kilowattheures par kilogramme d’hydrogène, les systèmes en conception visant 8 kWh par kilogramme. Les partenaires prévoient de développer une petite usine commerciale pour répondre à la demande locale. Ces résultats laissent entrevoir une filière d’importation qui pourrait approvisionner la Corée, le Japon et d’autres régions fortement consommatrices d’énergie.

Des laboratoires aux routes et aux navires : comment cela pourrait transformer les transports

Les véhicules à pile à combustible ont besoin d’hydrogène très pur, car les catalyseurs des piles à membrane échangeuse de protons sont sensibles aux impuretés. La pureté de 99,97 % annoncée par le KIER répond à ces exigences. Un déploiement pourrait passer par des plateformes régionales qui réceptionnent l’ammoniac, le décomposent sur place, puis distribuent de l’hydrogène purifié aux stations-service. Chantiers navals, ports et plateformes logistiques sont des emplacements naturels pour les premières installations, car ils manipulent déjà des matières dangereuses et de grands flux d’énergie.

Des moteurs fonctionnant directement à l’ammoniac

En Corée, des ingénieurs étudient également l’utilisation directe de l’ammoniac comme carburant. Une coalition menée par l’Institut coréen des machines et des matériaux, avec Hyundai Motor et Kia, a dévoilé un moteur à haute pression qui injecte de l’ammoniac pur directement dans la chambre de combustion. L’équipe a amélioré la stabilité et la puissance en synchronisant l’injection du carburant en plusieurs phases avec le calage variable des soupapes et un système d’allumage renforcé. Un dispositif de post-traitement exclusif réduit les oxydes d’azote et l’ammoniac imbrûlé afin de limiter les effets sur la qualité de l’air. Cette conception supprime le besoin d’un reformeur d’ammoniac gazeux, ce qui simplifie certaines applications. Elle est destinée à la propulsion maritime, à la production d’électricité hors réseau et aux véhicules lourds ; les plans de déploiement à l’horizon 2027 sont à l’étude.

Construire la chaîne d’approvisionnement : navires, réservoirs et usines

Le commerce de l’hydrogène à grande échelle reposera sur des navires et des installations de stockage spécialisés. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering a obtenu de l’American Bureau of Shipping une approbation de principe pour un réservoir de navire transporteur d’hydrogène, doté d’une isolation sous vide permettant de maintenir une température cryogénique proche de −253 °C. L’entreprise et ses partenaires étudient un navire d’une capacité de 80 000 mètres cubes pour transporter de l’hydrogène liquéfié. Les progrès sur les réservoirs d’hydrogène liquéfié viennent compléter la flotte existante de navires transportant de l’ammoniac, qui peut elle aussi contribuer aux acheminements énergétiques.

Les capacités de production à terre se développent également. Hyundai Motor a commencé la construction à Ulsan d’une nouvelle usine destinée à produire des piles à combustible à hydrogène de nouvelle génération et des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons. Le projet représente un investissement de plus de 644 millions de dollars. L’usine devrait être achevée en 2027 et produire environ 30 000 unités de piles à combustible par an. L’objectif est d’améliorer les performances et de réduire les coûts, tout en implantant en Corée les technologies clés de la production d’hydrogène.

Ce qu’en disent les dirigeants du secteur

Les dirigeants de HD KSOE considèrent cette étape dans la mise au point du réservoir comme faisant partie d’un effort plus large de décarbonation du transport maritime de l’énergie.

Nous continuerons à collaborer avec les plus grandes entreprises mondiales pour accélérer la transition énergétique et atteindre les objectifs de neutralité carbone.

L’association de nouveaux réservoirs, de moteurs et de capacités de production de piles à combustible témoigne d’un effort coordonné pour transformer des projets pilotes en chaînes d’approvisionnement complètes.

La production d’hydrogène propre se diversifie en Corée

Les laboratoires coréens font progresser plusieurs filières de production d’hydrogène propre. L’Institut coréen des machines et des matériaux a mis au point un système d’électrolyse à oxyde solide de 20 kilowatts, qui a produit de l’hydrogène efficacement pendant plus de 3 000 heures. L’électrolyse à oxyde solide fonctionne à haute température, ce qui permet d’utiliser la chaleur des procédés industriels et de réduire la consommation d’électricité. Cette approche peut se combiner efficacement avec les aciéries et les usines chimiques.

D’autres équipes explorent des procédés complémentaires. Des scientifiques du KIER ont annoncé avoir mis au point un catalyseur qui transforme le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone, un ingrédient clé des carburants de synthèse. Des équipes universitaires ont démontré des méthodes électrochimiques permettant de produire de l’ammoniac vert à température ambiante. Des pays comme le Japon et la Corée ont manifesté leur intérêt pour l’importation d’ammoniac vert issu de projets éoliens et solaires, car cette molécule est plus facile à stocker et à transporter que l’hydrogène.

L’ammoniac doit être propre pour apporter des bénéfices climatiques

Une réserve importante s’impose : l’ammoniac produit à partir d’hydrogène fossile présente une forte empreinte carbone. Le décomposer à destination ne supprime pas les émissions générées en amont. Les analystes soulignent également que la co-combustion d’ammoniac ou d’hydrogène dans des centrales à charbon ou à gaz n’apporte que de faibles bénéfices climatiques une fois pris en compte les coûts énergétiques et logistiques de l’ensemble de la chaîne. Les usages précoces les plus prometteurs de l’hydrogène concernent les secteurs difficiles à électrifier, comme la sidérurgie, la chimie, le transport maritime et le stockage saisonnier de l’énergie. Les responsables coréens évaluent ces compromis au moment de fixer leurs objectifs et leurs normes.

Risques, rendements et points à surveiller

La consommation d’énergie est un indicateur clé. L’essai du réacteur de craquage d’Ulsan a fait état d’environ 11 kilowattheures par kilogramme d’hydrogène, les systèmes en conception visant 8 kWh par kilogramme. Ce chiffre inférieur permettrait de réduire les coûts. À titre de comparaison, le pouvoir calorifique inférieur de l’hydrogène est d’environ 33 kilowattheures par kilogramme. L’amélioration des catalyseurs, l’intégration thermique et le chauffage électrique peuvent réduire le surcoût énergétique du craquage.

La sécurité et les émissions exigent une conception rigoureuse. L’ammoniac est toxique et dégage une forte odeur ; les exploitants devront donc prévoir des dispositifs de surveillance et de ventilation, ainsi que des plans d’urgence. Son utilisation dans des moteurs nécessite un post-traitement pour contrôler les oxydes d’azote. Les exploitants surveilleront la durabilité des catalyseurs et des membranes, ainsi que les calendriers de maintenance des compresseurs et des pompes. Les entreprises conçoivent des systèmes de craquage entièrement électriques, plus faciles à alimenter grâce à l’éolien et au solaire. Le KIER étudie également l’utilisation de piles à combustible à hydrogène pour les bâtiments, signe que les usages dans les transports et la production d’électricité stationnaire pourraient progresser de concert.

Points clés

• Le KIER a démontré un procédé de craquage de l’ammoniac à près de 600 °C qui produit de l’hydrogène pur à 99,97 %, sans brûler de combustibles fossiles au stade de la conversion.
• Le procédé utilise un catalyseur au ruthénium et l’adsorption par variation de pression pour purifier l’hydrogène destiné aux piles à combustible.
• Syzygy et Lotte ont testé à Ulsan un réacteur de craquage entièrement électrique : rendement de 81 %, conversion de 99 %, production d’environ 290 kilogrammes par jour et consommation proche de 11 kWh par kilogramme, les systèmes en conception visant 8.
• L’ammoniac est un vecteur pratique de l’hydrogène, car il se liquéfie dans des conditions modérées et bénéficie d’une infrastructure mondiale de transport maritime bien établie.
• Le KIMM, Hyundai et Kia ont dévoilé un moteur à haute pression fonctionnant à l’ammoniac pur, équipé d’un système de post-traitement pour réduire les émissions et destiné aux secteurs maritime et hors réseau ainsi qu’aux véhicules lourds à l’horizon 2027.
• HD KSOE a obtenu une approbation de principe pour un grand réservoir d’hydrogène liquide et étudie un navire transporteur d’une capacité de 80 000 mètres cubes.
• Hyundai construit à Ulsan une usine de 644 millions de dollars destinée à produire des piles à combustible et des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons, avec pour objectif d’atteindre 30 000 unités de piles à combustible par an d’ici 2027.
• La Corée fait également progresser l’électrolyse à oxyde solide pour produire de l’hydrogène vert, ainsi que les catalyseurs capables de transformer le dioxyde de carbone en composés de base pour des carburants propres.
• Les analystes avertissent que la co-combustion d’hydrogène ou d’ammoniac dans des centrales fossiles offre des bénéfices climatiques limités une fois prise en compte l’énergie nécessaire à la chaîne d’approvisionnement. Les usages prioritaires incluent donc la sidérurgie, la chimie, le transport maritime et le stockage saisonnier.
• Les principaux points à surveiller sont l’énergie nécessaire au craquage par kilogramme, le contrôle des oxydes d’azote, les pratiques de sécurité pour la manipulation de l’ammoniac, l’approvisionnement en ammoniac vert et les démonstrations à grande échelle.