Agriculture & engrais azotés: vers l'indépendance de la France sur les imports énergétiques
La France a du blé mais importe ses engrais. Engrais qui sont extraits du gaz (importé) et donc carbonés.
Il faut réduire ces importations et aller plus loin encore: utiliser des engrais bas carbone.
Ce point puissant (aussi: article non rédigé) introduit un engrais qui pourrait être vert, produit sur place et à l’échelle et faire office de vecteur énergétique.
Nourrir la France et le monde à prix réduit tout en apportant une solution à la transition énergétique. D’une pierre deux coups !
⁂
D’après (2021) Crop Yields - Our World in Data, le top 3 des pays Européens en rendements réalisables de cultures de blé (plus conservateurs que les « rendements potentiels » biophysiques; réalisables en utilisant les technologies et gestion actuelles, en 2000) sont le Royaume-Uni, la France et l’Ukraine avec respectivement et approximativement 8, 7 et 6 tonnes par hectare.
Pour donner une perspective, la Chine, les Etats-Unis et la Russie sont autour de 5, 4.5 et 4 t/ha.
Consommation française d’engrais azotés
Les engrais minéraux sont composés autour du triptyque N·P·K (de leur symbole atomique N: azote, P: phosphore, K: potassium). La composante N s’exprime en ammonium NH₄⁺ qui est le plus souvent produit par protonation —l’ajout d’un proton— de l’ammoniac NH₃. Pour en savoir un peu plus sur le cycle de l’azote.
⁂
A travers le monde, on synthétise NH₃ avec le procédé centenaire Haber-Bosch a partir de dihydrogène H₂ extrait par vaporeformage du gaz naturel CH₄. On émet ainsi 2.6 kg de gazs à effet de serre par kilogramme d’ammoniac produit.
Pour citer (2020) Life cycle energy use and greenhouse gas emissions of ammonia production from renewable resources and industrial by-products et aussi www.science.org:
With ammonia being the second most produced chemical in the world, its production accounts for approximately 2% of worldwide fossil energy use and generates over 420 million tons of CO2 annually.
⁂
La France est grande consommatrice de cette molecule: (2021) www.20minutes.fr
Avec deux millions de tonnes chaque année, la France reste le plus gros consommateur d’engrais azotés de l’UE avec l’Allemagne.
…et majoritairement importatrice: (2019) ree.developpement-durable.gouv.fr
La France a recours aux importations à hauteur de 95,1 % pour les minéraux utilisés comme engrais
⁂
En plus de l’impact environnemental d’une production (aujourd’hui) carbonée d’azote, la dépendance à l’import de l’agriculture française, notamment de pays hors de l’Union Européenne, est un risque quant à la stabilité du pays.
(2021) www.connaissancedesenergies.org
La Norvège demeure le principal fournisseur de la France (36 % du total des entrées brutes), devant la Russie (17 %), l’Algérie (8 %), les Pays-Bas (8 %), le Nigeria (7 %) et le Qatar (2 %).
Les ménages français paient, en moyenne, le gaz naturel 14 % plus cher que l’ensemble de ceux de l’Union européenne. Cet écart s’explique par un niveau relativement élevé en France à la fois des coûts de fourniture, du fait d’un éloignement de ses principaux fournisseurs, et des coûts d’acheminement, en raison d’une densité de consommation de gaz par habitant relativement faible. Les taxes totales en France sont, quant à elles, proches de la moyenne européenne.
Solutions
La production et le stockage d’énergies renouvelables à très grande échelle.
Court reportage du CNRS en guise d’introduction: Poudre de soleil (FR) Solar Fuel (EN).
Ilissa Ocko: The fastest way to slow climate change now TED Countdown
Concentrer l’énergie solaire pour alimenter des processus chimiques de synthèse.
D’une part, la chaleur en réservoirs est restituée pendant la nuit, permettant une capacité de production supérieure à une centrale photovoltaïque. D’autre part, les produits de cette synthèse (NH₃, H₂O₂, …) sont aisément transportables vers les zones du monde où le Soleil est moins prolifique (alors que H₂ est notoirement difficile à acheminer).
Outre les obstacles géopolitiques d’un projet d’une telle envergure, le transport haut voltage de cette production sous forme électrique ajouterait à lui seul des dizaines de milliards d’euro à sa facture.
Un projet australien: (2003) Developing ammonia based thermochemical energy storage for dish power plants.
Un épais dossier faisant état d’autres projets à parabole (2017) Dish Systems for CSP avec notamment Big Dish (2009).
Aux États-Unis on voit apparaitre de petits appels a projets: Funding Notice: Small Innovative Projects in Solar 2022: Concentrating Solar-Thermal Power and Photovoltaics
En France: Appel à projets : Concours d’innovation - i-Nov
⁂
Vers un cycle énergétique ammoniac court et décarboné.
Chercher à produire NH₃ directement, sans nécessairement passer par H₂, ouvrirait la porte à de nouveaux mécanismes chimiques.
Une production d’ammoniac vert bénéficie le secteur agricole et permettra également une utilisation sous forme d’électricité: (2020) Recent progress on ammonia fuel cells and their potential applications
[…] ammonia fuel cells offer a clean and reliable energy source, which can mitigate many of the limitations associated with hydrogen economy and contribute to a more nearby sustainable future […]
Heliogen, une licorne à envergure internationale, combine des avancées techniques sur les concentrateurs solaires à tour pour produire H₂ à grande échelle et à un prix attractif, via l’électrolyse et peut-être aussi le craquage de l’eau par photocatalyse.
Plusieurs innovations utilisées par cette entreprise ont été inventées en Allemagne, France, Espagne et Europe. Notamment la simplification et optimisation du design et de l’actuation des héliostats, et la calibration et le contrôle des dizaines de milliers de ces miroirs par vision par ordinateur en boucle fermée. J’aimerais travailler sur ces sujets !
⁂
Les besoins hydrogene en TWh de la France décarbonée vue par le Shift Project:
Comparaison des densité énergétique de quelque molécules porteuses d’hydrogène:
| Molecule(s) | MJ/kg | kWh/kg | source |
|---|---|---|---|
| H₂O₂ (aqueux à 60%) | 2.1 | www.ncbi.nlm.nih.gov | |
| H₂ | 120 | 33.33 | www.h2data.de |
| CH₄ / propane / diesel | 11-14 | www.h2data.de | |
| NH₃ | 22.5 | 5.8 | www.energy.gov |
Risques
Anhydrous ammonia has very high gravimetric (~17 wt.% or 5.8 kWh/kg) and volumetric (~0.105 kg/liter or 3.6 kWh/liter at 25° C) hydrogen energy densities and, hence, looks appealing for use as a potential hydrogen carrier for onboard storage. Also, compared to reforming hydrocarbon fuels, the dissociation, or cracking, of hydrogen from ammonia may require a less complex process. The byproduct of the hydrogen dissociation process, nitrogen, can be vented from the vehicle with no adverse environmental effects so there is no need for a recycling process, as in some other chemical hydride systems.
However, ammonia has specific chemical and physical properties which require attention in the design and engineering of an onboard storage system. These issues are: high coefficient of thermal expansion, high vapor pressure at ambient conditions, propensity for reacting with water, reactivity with container materials and high toxicity of the vapor if released into the air. These will be discussed below. Importantly, PEM fuel cells cannot tolerate ammonia, even at very low ppm levels14 and, hence, an onboard storage system based on ammonia would require a cracking reactor with essentially no pass-through of undissociated ammonia and/or a very effective filtration system.
⁂
L’utilisation d’engrais azotés a augmenté de presque un ordre de magnitude ces quatre dernières générations. Leurs role dans l’infiltration de nitrates dans les nappes phréatiques et dans l’explosion d’efflorescences algales, même partagé avec notamment celui de l’élevage porcin, font que leur utilisation est critiquée jusque dans la sphère publique.
⁂
(2020) Quantification of Atmospheric Ammonia Concentrations: A Review of Its Measurement and Modeling
Ammonia (NH3), the most prevalent alkaline gas in the atmosphere, plays a significant role in PM2.5 formation, atmospheric chemistry, and new particle formation.
The main determinant of the concentration of ammonia in the atmosphere is its emissions. Due to the short lifetime of the gas-phase form, NH3 is concentrated over regions of intensive agriculture and concentrated animal feeding operations
While ammonia itself has a very short atmospheric lifetime of a few hours to a day owing to rapid deposition and particle uptake, its particulate forms too have relatively short atmospheric lifetimes of under a week [45–47]; this further implies that there may be more significant regional climate impacts
⁂
61% of the total GHG emissions [come] from fertilisation
There is a negative correlation […] between the features studied, which means that the higher the energy efficiency of the silage maize plantations, the lower the air pollution emissions in a form of the GHGs from the sources under study.
⁂
Le rapport au Sénat (2019-2020) L’agriculture face au défi de la production d’énergie touche plusieurs points negatifs, particulièrement la section 14. Réduire les fuites indésirables de gaz lors de la méthanisation, notamment de méthane, de CO2 et d’ammoniac.
⁂
Un risque géopolitique ?
Rendre le/les pays plus indépendants dans les secteurs de l’énergie et de l’agriculture au bénéfice de la stabilité de ceux-ci changera de fait les contrats d’échange internationaux. La France importera potentiellement moins de gaz d’origine Norvégienne ou Russe.
(2015) Le blé : géohistoire d’un grain au cœur du pouvoir
[…] Le 18 juin 2020, le Président de la République française termine son discours à la Concorde en rappelant que le blé fait non seulement partie de l’histoire profonde du pays mais qu’il est surtout un produit vital pour la sécurité mondiale. Il appelle les concitoyens à être fiers que la France soit dotée d’un tel atout, contribuant à l’alimentation de base de la population nationale et à l’équilibre des marchés internationaux où la croissance des besoins alimentaires s’affiche comme l’un des principaux moteurs. Depuis le dernier tiers du XXe siècle, la France n’a pas de pétrole, mais elle a du blé rappelle-t-il. […]
⁂
Cette année 2022 commençant avec un arrière goût de guerre froide, en son sein: l’Ukraine, ne devrait-elle pas se terminer par un projet énergétique de collaboration open-source à envergure internationale ?
Il faut allier nos forces et collaborer pour trouver ces catalyseurs abondants qui transformeront l’immense et intarissable quantité d’énergie émise du seul réacteur à fusion nucléaire du coin qui nous parvient en huit minutes après avoir parcourus 150 millions de kilomètres: notre étoile.
Nous avons à réaliser des projets technologiques titanesques tout en vivant une période hyper inégalitaire/connectée/consumérisée. Peut-être faudra-t-il rapatrier le platine d’un ou deux astéroïdes dans la foulée… et pourquoi pas !
Finalement, nous n’avons jamais été aussi proche d’une société de l’abondance.