La première pile à combustible au monde alimentée à l’ammoniac à haute température pour le transport maritime

Chaque année, des centaines de millions de tonnes de CO₂ sont émis par le transport maritime, causant de graves dommages au climat. Alors que des scientifiques du monde entier testent de nouvelles méthodes de propulsion capables de remplacer le mazout dans les navires, les chercheurs de Fraunhofer travaillent au sein d’un consortium international pour développer des piles à combustible à base d’ammoniac. Lorsqu’il est utilisé comme carburant pour les navires équipés de moteurs électriques, l’ammoniac est aussi écologique que l’hydrogène, mais plus facile et plus sûr à manipuler.

À l’heure actuelle, l’hydrogène est le principal objectif dans le domaine de l’énergie durable: des plans sont en place pour utiliser l’hydrogène pour alimenter les bus, les véhicules commerciaux et même les voitures. Cependant, le Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM de Mayence travaille sur une autre possibilité prometteuse. Dans le cadre du projet ShipFC, le Fraunhofer Institute collabore avec 13 partenaires du consortium européen pour développer la première pile à combustible à base d’ammoniac pour le transport maritime. Les chercheurs de Fraunhofer sont responsables du développement du convertisseur catalytique, qui empêche la production d’émissions qui nuiraient au climat.

Le transport maritime est un contributeur majeur aux émissions de gaz à effet de serre. Selon les informations fournies par l’Agence allemande pour l’environnement (UBA), le transport maritime sur les océans du monde est actuellement responsable d’environ 2,6% du CO mondial₂ émissions. En 2015, environ 932 millions de tonnes de CO₂ ont été émis, et ce chiffre augmente chaque année. De toute évidence, des contre-mesures sont nécessaires de toute urgence.

Le projet ShipFC vise à prouver que la nouvelle technologie de propulsion sans émissions fonctionne de manière sûre, fiable et fluide, même à bord de grands navires et lors de longs voyages. Le projet est coordonné par NCE Maritime Cleantech de Norvège, une organisation qui vise à développer des technologies respectueuses de l’environnement dans le secteur maritime.

Les avantages de l’ammoniac

L’ammoniac est principalement connu pour son utilisation comme engrais dans le secteur agricole. Cependant, il peut également fonctionner comme un vecteur d’énergie de haute qualité. Le professeur Gunther Kolb, directeur de la division énergie et directeur adjoint de l’institut à l’IMM, explique: «L’ammoniac présente des avantages significatifs par rapport à l’hydrogène. L’hydrogène doit être stocké à -253 degrés Celsius sous forme liquide, ou à des pressions d’environ 700 bar. L’ammoniac liquide peut être stocké à une température raisonnable de -33 degrés Celsius à une pression standard et de +20 degrés Celsius à 9 bars. Cela rend le stockage et le transport de ce vecteur d’énergie considérablement plus facile et plus simple. « 

Comment fonctionnent la pile à combustible et le convertisseur catalytique

Le processus de production d’électricité à partir d’ammoniac fonctionne de la même manière que les centrales à hydrogène. Tout d’abord, l’ammoniac (NH₃) est introduit dans un réacteur à fission, où il est divisé en azote (N₂) et l’hydrogène (H2). 75% du gaz est constitué d’hydrogène. Une petite quantité d’ammoniac (NH₃, 100 ppm) n’est pas convertie et reste dans le flux gazeux.

Deuxièmement, l’azote et l’hydrogène sont introduits dans la pile à combustible et de l’air est introduit, permettant à l’hydrogène de brûler et de former de l’eau. Cela produit de l’énergie électrique. Cependant, l’hydrogène n’est pas entièrement converti dans la pile à combustible. Environ 12 pour cent de l’hydrogène et de l’ammoniac résiduel laissent la pile à combustible sans combustion. Ce résidu est ensuite introduit dans le pot catalytique développé par Fraunhofer IMM. Ici, de l’air est introduit et le résidu entre en contact avec une feuille métallique ondulée revêtue d’une couche de poudre de particules catalytiques contenant du platine. Cela déclenche une réaction chimique. En fin de compte, les seuls produits finaux sont l’eau et l’azote. Un processus de réaction optimal ne produira même pas d’oxydes d’azote nocifs pour l’environnement.

L’équipe de recherche de l’IMM développe également le réacteur qui contient le catalyseur, qui fonctionne de manière passive. Le réacteur contrôle la température et le débit de gaz. Par exemple, il préchauffe le catalyseur avant même le démarrage des moteurs, car il est moins efficace à froid. «La température des gaz qui traversent le convertisseur catalytique devrait probablement être d’environ 500 degrés Celsius pour que le processus de purification des gaz résiduaires soit aussi efficace que possible», explique Kolb.

Les chercheurs de Fraunhofer IMM ont des décennies d’expérience dans le développement de réacteurs comprenant des catalyseurs pour une grande variété d’applications dans le secteur des transports et de la mobilité. L’institut basé à Mayence dispose de neuf bancs d’essai, mais la purification des gaz résiduaires des piles à combustible à l’ammoniac d’une capacité de 2 mégawatts reste un défi technologique. «Nous devons développer davantage notre technologie de pile à combustible alimentée à l’ammoniac, et le convertisseur catalytique d’un navire est évidemment beaucoup plus gros que celui d’une voiture normale», déclare Kolb.

Le statut du projet

L’équipe IMM prévoit d’achever un premier petit prototype d’ici la fin de 2021, qui sera suivi d’un prototype de taille réelle d’ici la fin de 2022. Dans la seconde moitié de 2023, le premier navire équipé d’une pile à combustible à l’ammoniac prendra la mer – le Viking Energy, un navire de ravitaillement appartenant à la compagnie maritime norvégienne Eidesvik. Par la suite, d’autres types de navires, tels que les cargos, seront équipés de piles à combustible à l’ammoniac.

Le potentiel de l’ammoniac pour l’avenir

L’ammoniac est fourni par YARA, partenaire du consortium ShipFC. L’entreprise chimique produit actuellement un tiers de l’ammoniac utilisé dans le monde. Le projet ShipFC utilise de l’ammoniac «vert», c’est-à-dire de l’ammoniac produit à partir de sources d’énergie renouvelables.

ShipFC ouvre des opportunités majeures à un vecteur énergétique jusque-là sous-évalué. Gunther Kolb, chercheur chez IMM, précise: «Nous ne considérons pas l’ammoniac comme un concurrent direct de l’hydrogène, mais plutôt comme une option supplémentaire dans le domaine de l’énergie durable. Avec ses avantages de stockage, cette technologie écologique de production d’électricité a certainement un rôle à jouer. Son utilisation dans les navires n’est que le début. « 

Le potentiel de l’ammoniac a également été reconnu au niveau politique, l’Union européenne apportant un soutien financier de 10 millions d’euros au projet ShipFC.

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