Le procédé Haber-Bosch : comment il nourrit la moitié de la planète

L'invention qui a tout changé

L'azote est essentiel à toute forme de vie. Il constitue les protéines, l'ADN et la chlorophylle qui donne aux plantes leur couleur verte. Bien que l'azote gazeux représente 78 % de l'atmosphère terrestre, il existe sous forme de N₂, deux atomes liés par l'une des liaisons les plus fortes de la chimie. Les plantes ne peuvent pas l'utiliser sous cette forme. Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, les agriculteurs se sont appuyés sur le fumier, la rotation des cultures et de rares gisements minéraux pour reconstituer l'azote du sol. Puis, en 1909, le chimiste allemand Fritz Haber a trouvé un moyen de briser cette liaison tenace en laboratoire. En 1913, l'ingénieur Carl Bosch a adapté la réaction à la production industrielle. Le procédé Haber-Bosch était né, et il allait remodeler la civilisation.

Comment fonctionne la chimie

La réaction de base est d'une simplicité trompeuse : une molécule d'azote gazeux (N₂) se combine avec trois molécules d'hydrogène gazeux (H₂) pour produire deux molécules d'ammoniac (NH₃). En pratique, il faut employer la force brute pour que cela se produise. La réaction se déroule à environ 450 °C et à 200 atmosphères de pression à l'intérieur d'énormes réacteurs en acier, avec un catalyseur à base de fer qui accélère la conversion.

Même dans ces conditions extrêmes, seulement environ 15 % du gaz est converti en ammoniac en un seul passage. Les ingénieurs résolvent ce problème en recyclant le gaz n'ayant pas réagi à travers le réacteur dans une boucle continue. La matière première hydrogène provient généralement du reformage du méthane à la vapeur – la séparation du gaz naturel avec de la vapeur à haute température – c'est pourquoi le procédé consomme environ 1 à 2 % de l'approvisionnement énergétique mondial total.

L'ammoniac résultant est soit appliqué directement aux champs, soit converti en produits tels que l'urée, le nitrate d'ammonium et d'autres engrais azotés que les agriculteurs répandent sur des milliards d'hectares chaque année.

Pourquoi c'est important pour la sécurité alimentaire

Les chiffres sont stupéfiants. Selon Our World in Data, environ la moitié de la production alimentaire mondiale dépend des engrais azotés de synthèse. Une étude marquante publiée dans Nature Geoscience a estimé que sans le procédé Haber-Bosch, la Terre ne pourrait nourrir qu'environ 3 à 4 milliards de personnes, soit moins de la moitié de la population actuelle. Près de 50 % des atomes d'azote dans les tissus du corps humain proviennent d'un réacteur industriel, et non de la nature.

La consommation mondiale d'engrais azotés a atteint environ 110 millions de tonnes métriques en 2022-2023, soit une augmentation de 300 % depuis 1961. L'Asie de l'Est et du Sud sont les plus grands consommateurs, la Chine à elle seule utilisant plus de 23 millions de tonnes métriques par an. Le procédé sous-tend les rendements de maïs, de blé et de riz qui seraient impossibles avec les seules sources d'azote organique.

Le prix environnemental à payer

Le procédé Haber-Bosch entraîne un lourd fardeau carbone. La production d'une tonne d'ammoniac libère environ 1,6 tonne de CO₂, et l'industrie représente environ 1,2 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, soit plus que l'ensemble du secteur de l'aviation, selon le Rocky Mountain Institute. Plus de 70 % de l'hydrogène utilisé provient du gaz naturel, ce qui rend la production d'ammoniac profondément dépendante des combustibles fossiles.

Les coûts environnementaux ne s'arrêtent pas aux portes de l'usine. Lorsque des engrais azotés sont appliqués au sol, les microbes convertissent une partie en protoxyde d'azote (N₂O), un gaz à effet de serre environ 300 fois plus puissant que le CO₂ sur un siècle. L'excès d'azote se déverse également dans les rivières et les océans, alimentant les proliférations d'algues et les zones mortes aquatiques.

La recherche d'alternatives plus écologiques

Les chercheurs et les entreprises explorent plusieurs pistes pour décarboner la production d'ammoniac :

• L'ammoniac vert remplace l'hydrogène dérivé de combustibles fossiles par de l'hydrogène issu de l'électrolyse de l'eau alimentée par de l'électricité renouvelable, éliminant ainsi complètement les émissions directes de CO₂.
• L'ammoniac bleu associe le reformage conventionnel du gaz naturel à la capture et au stockage du carbone (CSC), réduisant les émissions, mais sans les éliminer.
• La synthèse électrochimique utilise un courant électrique pour combiner l'azote et l'hydrogène à basse température et pression en une seule étape, contournant potentiellement complètement le réacteur Haber-Bosch.
• La catalyse plasma utilise un gaz ionisé pour activer les molécules d'azote dans des conditions proches de l'ambiante, une technologie qui en est encore largement au stade du laboratoire.

Aucune de ces alternatives ne fonctionne encore à l'échelle ou au coût du procédé conventionnel. Dans un avenir prévisible, la réaction Haber-Bosch, vieille d'un siècle, reste l'épine dorsale de la production alimentaire mondiale – une invention qui sauve des milliards de vies tout en exerçant une pression énorme sur le climat et les écosystèmes de la planète.