La demande en ammoniac évolue en raison de la transition énergétique. Utilisé jusqu’à récemment comme matière première pour les engrais et les produits chimiques, de nouveaux marchés émergent pour l’ammoniac vert et bleu afin de remplacer le charbon dans la production d’électricité, la production d’acier vert et les carburants marins.
Environ 200 millions de tonnes sont actuellement produites chaque année dans le monde, dont 20 millions de tonnes sont transportées par des navires GPL. Ces chiffres augmenteront en raison de la nouvelle demande et de l’ampleur de la demande potentielle. La rapidité avec laquelle cela pourra être réalisé déterminera l’acceptation au sein du transport.
L’intérêt pour l’ammoniac vient à la fois de son zéro émission lorsqu’il est utilisé comme carburant et du fait que la production d’ammoniac ne repose pas sur des sources de carbone biogénique. À mesure que l’économie mondiale s’éloigne des combustibles fossiles, le carbone biogénique provenant du CO2 capturé, de l’électrolyse et même des sources de déchets sera exposé à une concurrence accrue de la part de diverses industries.
Le carbone fossile est de plus en plus remplacé par du carbone biogénique dans de nombreux produits actuellement utilisés dans l’industrie et les biens de consommation. La concurrence des secteurs de l’énergie et de l’aviation entraînera inévitablement une hausse des prix, mais la capacité de production devra provenir de sources industrielles plutôt que de la biomasse récoltée à cet effet.
L’augmentation de l’ammoniac ouvre également la possibilité d’utiliser l’hydrogène vert comme carburant. Cependant, comme l’ammoniac est beaucoup moins cher à transporter sur de longues distances et étant donné la perte d’énergie lorsque l’hydrogène est converti en ammoniac par le procédé Haber-Bosch, la majeure partie de l’hydrogène est transférée vers l’ammoniac vert sur place. est fabriqué en démontant le . L’hydrogène sera consommé.
Production d’ammoniac
Parvenir à une production à grande échelle d’ammoniac vert pour de nouveaux marchés nécessitera une expansion significative de la capacité de production en conjonction avec l’électricité renouvelable et l’hydrogène vert. La capacité installée des centrales éoliennes et solaires actuellement installées dans le monde, notamment les électrolyseurs nécessaires à la production de l’hydrogène vert nécessaire à la production d’ammoniac, semble faible par rapport à la capacité nécessaire.
L’électricité renouvelable pour l’électrolyse doit être produite dans des endroits du monde où les conditions sont favorables et où de vastes zones de terres sont disponibles pour la production d’énergie éolienne et solaire. Ces emplacements se trouvent souvent dans des zones reculées. Des régions telles que l’Australie occidentale, le Chili, l’Afrique de l’Ouest, Oman et l’Arabie saoudite devraient devenir les principaux centres de production. L’ammoniac doit être transporté de ces sites vers les centres de demande, en premier lieu l’Asie du Nord/Est et l’Europe.
Les projections actuelles de croissance de la production mondiale indiquent que d’ici 2040, il y aura suffisamment d’électricité renouvelable pour produire la quantité requise d’ammoniac vert par la seule flotte maritime. Mais l’industrie du transport maritime sera également en concurrence avec de nombreuses autres industries pour l’énergie renouvelable et verte. Des contraintes d’approvisionnement sont attendues non seulement pour l’hydrogène nécessaire à la production d’ammoniac, mais également pour d’autres secteurs qui dépendent de la consommation d’ammoniac vert, comme l’agriculture et les centrales électriques au charbon.
Technologie de propulsion
Les premiers tests ont été menés par plusieurs grands constructeurs de moteurs utilisant l’ammoniac comme carburant dans les moteurs à combustion. Ce test s’est révélé très prometteur et n’a révélé aucun problème significatif lors de l’utilisation de l’ammoniac comme carburant de combustion dans les moteurs à combustion interne.
Bien que les volumes de carburant des pilotes et les émissions de NOx, de NH3 et de N2O des moteurs marins commerciaux n’aient pas encore été quantifiés, les fabricants de moteurs marins conviennent généralement que le cycle diesel est optimal pour la combustion de l’ammoniac.
Des recherches sont en cours sur les concepts de combustion du diesel et du cycle Otto. L’optimisation des réductions d’émissions devrait constituer un défi, et le contrôle des rejets de N2O et d’ammoniac nécessite une combustion à haute température, qui produit également des niveaux élevés de NOx. Des tests sur des moteurs à deux temps ont montré que les NOx posent moins de problèmes lorsque l’on utilise les principes de combustion du cycle diesel pour brûler de l’ammoniac. Lorsque l’ammoniac est injecté dans la chambre de combustion, il se dilate et crée un effet de refroidissement, éliminant ainsi les températures maximales élevées dans la zone de combustion qui produisent des niveaux élevés de NOx.
Le carburant pilote est nécessaire pour enflammer l’ammoniac et est également nécessaire pour stabiliser la combustion. Pour les petits moteurs 4 temps, 10 % de carburant pilote sont requis une fois l’optimisation du moteur terminée et le moteur en marche. Les gros moteurs à deux temps utilisant le cycle diesel ne nécessitent que 5 % de carburant pilote, et certains constructeurs de moteurs s’attendent à pouvoir réduire encore davantage cette quantité.
Évaluation des émissions
Par conséquent, même si les émissions réelles de NH3 et de N2O n’ont pas encore été évaluées avec précision, les émissions devraient être faibles, en particulier dans le cycle de combustion du diesel. Pourtant, selon le GIEC 2013-ARS, le potentiel de réchauffement climatique (PRG) sur 20 ans du N2O est de 264 et le GWP sur 100 ans est de 265, donc en fonction du niveau d’émission, les avantages de l’utilisation de l’ammoniac comme carburant par rapport au CO2 une grande partie pourrait être annulée. Cela reste un obstacle potentiellement important à l’adoption.
Cependant, les concepteurs de moteurs marins à deux temps ont constaté que les niveaux de N2O étaient faibles lors des tests, dans la même plage que celle observée avec d’autres carburants tels que le diesel marin, le GNL et le méthanol. Dans l’ensemble, le principe de combustion diesel est considéré comme idéal pour l’utilisation de l’ammoniac, car la température à l’intérieur de la chambre de combustion atteint un « point idéal » où les niveaux de glissement de NOX, de N2O et d’ammoniac sont enregistrés à des niveaux très bas. On s’attend donc à ce que ces moteurs puissent fonctionner conformément aux normes OMI NOx Tier II sans avoir besoin de systèmes d’atténuation.
Depuis le premier trimestre 2024, les principaux fabricants de moteurs marins ont les plans de développement et les délais de livraison suivants pour les moteurs à ammoniac :
Moteur bicarburant à ammoniac à deux temps couvrant une plage de puissance de 5 MW à 31 MW. Ces moteurs seront disponibles pour livraison à partir du quatrième trimestre 2024/premier trimestre 2025. Les moteurs à quatre temps à ammoniac deviennent également disponibles sous forme de moteurs générateurs bicarburant. Deux motoristes prévoient de lancer ce type de moteur fin 2024 ou début 2025.
Sécurité et traitement des gaz d’échappement
La plupart des concepteurs de moteurs prévoient que le post-traitement des gaz d’échappement sera nécessaire pour se conformer à la norme OMI NOx Tier III, et tous conviennent que le moyen privilégié pour nettoyer les gaz d’échappement après leur expulsion est de spécifier la réduction catalytique sélective (SCR) comme Il utilise une chambre de combustion plutôt qu’une recirculation des gaz d’échappement (EGR), ce qui modifie les conditions de combustion et limite la production de NOX. L’EGR réduit la quantité d’oxygène dans l’air d’admission, et certains craignent que cela ait un impact très négatif sur les performances de combustion de l’ammoniac, mais cela fait encore l’objet d’études plus approfondies.
Outre les moteurs principaux et les générateurs alimentés à l’ammoniac, des modèles de moteurs auxiliaires émergent également, nécessaires pour achever la transition vers des navires propulsés à l’ammoniac. Les fabricants de chaudières préparent des chaudières à double combustible qui utilisent l’ammoniac comme combustible afin que de la vapeur et de la chaleur puissent être produites par combustion de l’ammoniac.
La manipulation courante de l’ammoniac à bord des navires nécessite une solution permettant de collecter les vapeurs d’ammoniac de manière sûre. Cette vapeur est libérée lors des arrêts normaux du moteur lorsque le système de tuyauterie doit être purgé ou lorsqu’une panne se produit quelque part dans le système d’alimentation en carburant.
Diverses solutions de traitement des vapeurs sont en cours de développement par plusieurs fabricants, notamment des conceptions d’épurateurs d’eau capables d’éliminer les vapeurs d’ammoniac de l’air de purge. Dans cette solution, la vapeur d’ammoniac est stockée dans un réservoir dédié sous forme de solution eau-ammoniac. Cependant, cette approche nécessite une infrastructure dédiée au port pour recevoir et stocker les données.
Tous les systèmes ci-dessus sont en cours de préparation pour des projets de nouvelle construction de différents types de navires, et il est prévu que ces systèmes soient opérationnels d’ici la fin de 2025 ou le début de 2026. On estime qu’environ 50 à 70 navires sont actuellement en commande. Avril 2024.
René Sejer Laursen est directeur des carburants et de la technologie à l’American Bureau of Shipping (ABS).
Les opinions exprimées ici sont celles de l’auteur et pas nécessairement celles de The Maritime Executive.
