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MATIÈRES PREMIÈRES :

Pour produire 1 t de NH3 il faut 658 m3 de diazote et 1 974 m3 de dihydrogène, mesurés à 1 bar et 25 °C. Le diazote provient de l'air. Le dihydrogène est obtenu principalement par vaporéformage du gaz naturel (composé de méthane, CH4) mais aussi, particulièrement en Chine, à partir du charbon, lors de l'élaboration du coke ou par gazéification en présence d'eau.
En 2015, le gaz naturel est la matière première adoptée pour 69 % des capacités mondiales de production de NH3, le charbon et le gaz de cokerie pour 29 % (à 95 % en Chine), le fuel ou le naphta pour 2 %.
En Chine, en 2016, le charbon représente 82 % des matières premières utilisées.
Dans l'Union européenne, en 2012, la part du gaz naturel est de 90 %.
Toute la production française d'ammoniac est effectuée à partir de gaz naturel.

Le gaz naturel représente, en 2013, dans l'Union européenne, de 80 à 88 % des coûts de production de l’ammoniac. Il faut 0,6 kg de gaz naturel pour produire 1 kg d'ammoniac.

 

FABRICATION INDUSTRIELLE : selon le procédé Haber-Bosch dont la première industrialisation a eu lieu, en 1913, par BASF, à Oppau, en Allemagne.

En général, en dehors de la Chine, l'élaboration se fait directement à partir du gaz naturel qui donne H2 (voir le chapitre consacré à ce gaz). L'air (source de diazote) est introduit après le vaporéformage et avant la conversion. A ce stade, le gaz de synthèse contient de 5 à 11 % de méthane non transformé. Un réformage secondaire (ou post combustion) permet d'éliminer le dioxygène de l'air par combustion avec le méthane restant.

La synthèse de NH3 a lieu à haute pression (8 à 30 MPa), 350 à 500°C, en présence de catalyseurs contenant du fer. Le rendement est faible (environ 20 %), ce qui nécessite un recyclage du gaz non converti après récupération de NH3 par refroidissement.

N2 + 3 H2 = 2 NH3 Δr298 = - 92,2 kJ/mole.

- Catalyseur : exemple de composition, en % en masse, avant réduction lors de la production de NH3. Dans le réacteur, l’oxyde de fer est réduit en fer.

Fe3O4
94,3 %
Al2O3
2,3 %
CaO
1,7 %
K2O
0,8 %
MgO
0,5 %
SiO2
0,4 %

Un four de production de NH3 contient 100 t de catalyseur, sous forme de grains de 1,5 à 20 mm, avec une durée de vie qui peut atteindre 10 ans.
Dans les réacteurs fonctionnant à pression relativement basse (8 à 10 MPa), les catalyseurs contiennent environ 5 % d’oxyde de cobalt.
Un catalyseur à base de rubidium et de ruthénium est utilisé dans une unité de production de 150 000 t/an à Kitimat en Colombie Britannique (Canada).

- Chaque unité de production peut donner jusqu’à 3 300 t NH3/jour. La consommation moyenne d'énergie est de 35,2 GJ/t dans l'Union européenne, elle est de 27 GJ/T pour les nouvelles unités de production.
La plus grande usine, au monde, est celle exploitée par CF Industries, aux Etat-Unis en Louisiane, à Donaldsonville, avec une capacité de 3,933 millions de t/an de NH3,. Elle comprend 6 unités de production d'ammoniac, 4 d'urée avec une capacité de production de 2,571 millions de t/an, 4 d'acide nitrique, 3 de solutions urée/nitrate d'ammonium à 32 % de N avec une capacité de production de 2,95 millions de t/an.
La plus grande usine européenne de production d’ammoniac, exploitée par Yara, est située à Sluiskil, aux Pays-Bas. Les 3 unités de production possèdent une capacité de 1,7 million de t/an. L'ammoniac est utilisé dans 2 unités de production d'acide nitrique avec une capacité de production de 1,275 million de t/an, dans 2 unités de productions d'urée avec une capacité de production de 750 000 t/an et des unités de production de nitrates avec une capacité de production de 1,8 million de t/an.

- NH3 est obtenu anhydre, liquide, à -33°C, et stocké à cette température, à la pression atmosphérique. Les réservoirs contiennent jusqu'à 36 000 t de NH3.

Coproduit : du dioxyde de carbone (2,1 t/t d'ammoniac). Celui-ci peut être utilisé pour produire de l'urée, vendu aux distributeurs de gaz industriels, ou rejeté dans l'atmosphère. La production d'ammoniac génère au niveau mondial 1 % des émissions de gaz à effet de serre. Les émissions sont comprises entre 1,6 t de CO2/t de NH3 à partir du gaz naturel et 3,8 t de CO2/t de NH3 à partir de charbon.

 

PRODUCTIONS : en 2016, en millions t de NH3. Monde : 171 ou 140 exprimé en N. Union européenne : 14,5.

Chine 56 Canada 6,0
Russie 15 Qatar 3,7
Inde 13 Pakistan 3,3
Etats-Unis 12 France 3,2
Indonésie 6,0 Allemagne 3,0
Trinidad et Tobago 5,7 Iran 3,0
Arabie Saoudite 5,0 Ukraine 2,9
Source : USGS

En 2016, les capacités mondiales de production sont de 219 millions de t/an d'ammoniac.

La Chine, en 2012, compte 394 usines de production d'ammoniac.

Aux Etats-Unis, en 2016, 13 sociétés exploitent 31 usines de production situées pour 60 % des capacités de production, sur un total de 19 millions de t/an, en Louisiane, Oklahoma et Texas. Les principaux producteurs sont : CF Industries Holdings avec 39,2 % des capacités de production, PCS Nitrogen et Agrium après leur fusion avec 17,5 % des capacités de production, Koch Nitrogen, LLC avec 14,4 % des capacités de production.

Dans l'Union européenne, en 2013, avec une capacité de production de 20,613 millions de t/an de NH3, il y a 42 usines de production d'ammoniac.
Capacités de productions et nombre d'usines, en 2013, et productions en 2016, en milliers de t NH3, soit 14 484.

  Capacité kt/an Nombre d'usines Production, kt   Capacité kt/an Nombre d'usines Production, kt
Allemagne 3 438 5 3 051 Bulgarie 1 118 3 *
Pologne 3 210 5 2 630 Royaume Uni 1 100 3 758 en 2014
Pays Bas 2 717 2 * Belgique 1 020 2 *
Roumanie 2 176 6 620 en 2015 Espagne 609 3 *
France 1 495 4 509 Italie 600 1 *
Lithuanie 1 118 1 918 Autriche 485 1 *
Source : Eurostat et Centre for European Policy Studies

* : les productions pour ces pays sont confidentielles.
Par ailleurs, en 2013, il y a 2 usines en Hongrie et 1 usine en Slovaquie, République tchèque, Estonie et Grèce.

Producteurs : hors producteurs chinois, en 2017, en millions de t/an de capacité de production d'ammoniac.

CF Industries (Etats-Unis) 9,88 OCI (Egypte) 3,99
Yara (Norvège) 8,40 TogliattiAzot (Russie) 3,50
PCS Nitrogen et Agrium (Canada) 7,76 Koch (Etats-Unis) 3,29
PT Pupuk (Indonésie) 5,24 EuroChem (Russie) 3,20
Ostchem (Ukraine) 5,18 IFFCO (Inde) 2,80
Sources : CF industries et rapports des sociétés

CF Industries, possède des usines de production aux Etats-Unis, en Louisiane à Donaldsonville, avec une capacité de 3,933 millions de t/an de NH3, dans le Mississippi à Yazoo City, avec 517 000 t/an, dans l'Oklahoma à Verdigris avec 75,3 % de 1,100 million de t/an et Woodward avec 435 000 t/an, dans l'Iowa à Port Neal avec 1,115 million de t/an, au Canada, dans l'Alberta à Medecine Hat avec 1,115 million de t/an et dans l'Ontario à Courtright avec 453 000 t/an, au Royaume Uni, à Billingham avec 540 000 t/an et Ince avec 345 000 t/an et détient à Trinidad et Tobago une participation de 50 % de Point Lisas Nitrogen Limited avec 327 000 t/an. En 2016, la production totale d'ammoniac de CF Industries a été de 7,534 millions de t dont 4,928 millions de t ont été transformées en divers produits azotés (urée, ammonitrate...).

Yara, possède, en propre, des unités de production à Porsgrunn en Norvège avec 500 000 t/an, à Brunsbüttel en Allemagne avec 750 000 t/an, à Sluiskil aux Pays-Bas avec 1,9 million de t/an, au Havre en France avec 400 000 t/an, à Ferrara en Italie avec 600 000 t/an, à Tertre en Belgique avec 400 000 t/an, à Hull au Royaume Uni avec 300 000 t/an, à Belle Plaine au Canada avec 700 000 t/an, à Cartagène en Colombie avec 117 000 t/an, à Trinidad et Tobago avec 200 000 t/an et à Pilbara en Australie avec 900 000 t/an, ainsi que des participations dans des unités au Qatar avec 25 % de Qafco et 1 million de t/an, à Trinidad et Tobago avec 49 % de participation et 400 000 t/an, en Libye avec 50 % de Lifeco et 200 000 t/an. En 2016, la production de Yara a été de 7,504 millions de t d'ammoniac.

PCS Nitrogen possède aux Etats-Unis des unités de production à Augusta, en Géorgie, avec une capacité de production de 0,8 million t/an et une production, en 2016, de 0,69 million de t, à Geismar, en Louisiane, avec une capacité de production de 0,5 million t/an et une production, en 2016, de 0,53 million de t, à Lima, dans l'Ohio, avec une capacité de production de 0,7 million t/an et une production, en 2016, de 0,65 million de t et à Trinidad et Tobago, à Point Lisa, avec une capacité de production de 2,2 millions t/an et une production, en 2016, de 1,96 million de t. Avec une capacité totale de 4,2 millions de t/an, la production, en 2016, a été de 3,75 millions de t.

Agrium possède au Canada, dans l'Alberta, des unités de production à Redwater avec une capacité de production de 0,923 million de t/an, à Carseland avec une capacité de production de 0,523 million t/an, à Joffre avec une capacité de production de 0,474 million t/an, à Fort Saskatchewan avec une capacité de production de 0,435 million t/an, aux Etats-Unis, au Texas, à Borger avec 0,451 million de t/an, en Egypte, à Damiette, avec 26 % de la société Mopco et une capacité de 0,312 million de t/an et en Argentine, à Bahia Blanca, avec 50 % de la société Profertil et une capacité en propre de 0,404 million de t/an. Au total les capacités de production sont de 3,524 millions de t/an.

Transport : l'ammoniac est principalement transformé sur place, à 88 %, sinon il est transporté liquide à -33°C en camions citernes, navires de 35 000 t de capacité ou pipeline (5 090 km aux États-Unis, 2 000 km en Russie et Ukraine entre Togliatti et Odessa). Le principal port d’exportation, celui de l'ammoniac produit en Russie et Ukraine, avec 2,6 millions de t/an, est Yuzhnyy situé sur les côtes de la Mer Noire.

Commerce mondial : il porte, en 2016, sur 20,1 millions de t de NH3.

Principaux pays exportateurs : en 2016, en milliers de t de NH3.

Trinidad et Tobago 4 422 Indonésie 1 116
Russie 3 660 Iran 625
Arabie Saoudite 1 630 Pays Bas 500
Algérie 1 299 Malaisie 449
Canada 1 272 Qatar 444
Sources : ITC

Principaux pays importateurs : en 2016, en milliers de t de NH3.

Etats-Unis 4 736 Maroc 1 041
Ukraine 2 444 France 714
Inde 2 296 Taïwan 655
Belgique 1 199 Allemagne 618
Corée du Sud 1 163 Turquie 596
Sources : ITC

Les importations des Etats-Unis proviennent à 66 % de Trinidad et Tobago et 28 % du Canada.

 

SITUATION FRANÇAISE : en tonnes de NH3, en 2016.

- Production : 509 000 t, avec une capacité de production de 1,5 million de t.

- Usines : en milliers de t de NH3 de capacités annuelles.

Le 1er juillet 2013, la société GPN, filiale de Total, a été acquise par Borealis, société autrichienne détenue à 64 % par International Petroleum Invesment Company d'Abu Dhabi.

- Grandpuits (Borealis) : 439 000 t/an.

- Grand Quevilly (Borealis) : 400 000 t/an.

- Le Havre (Yara France) : 400 000 t/an.

- Ottmarsheim (Borealis) : 260 000 t/an.

Localisation des usines françaises de production d'ammoniac

- Exportations d'ammoniac anhydre : 77 603 t vers l'Allemagne à 40 %, le Maroc à 14 %, la Belgique à 12 %, la Norvège à 10 %, le Chili à 9 %.

- Importations d'ammoniac anhydre : 652 650 t d'Algérie pour 36 %, d'Allemagne pour 17 %, des Pays Bas pour 15 %, de Belgique pour 8 %.

 

UTILISATIONS :

Consommations: en 2015, en millions de t de NH3. Monde : 181,3, Union européenne : 19,6. Répartition :

Asie de l'Est
42,6 %
Asie de l'Ouest
7,5 %
Amérique du Nord
11,4 %
Europe Centrale
2,9 %
Asie du Sud
11,4 %
Afrique
2,9 %
Europe de l'Est, Asie Centrale
10,1 %
Amérique Latine
2,7 %
Europe de l'Ouest
7,7 %
Océanie
0,7 %
Source : IFA

En 2016, la consommation des Etats-Unis est de 16,6 millions de t de NH3.

Secteurs d'utilisation :

Les engrais représentent 82 % de la consommation mondiale d'ammoniac (voir ce chapitre). En 2013-14, dans le monde, l'ammoniac a été utilisé directement pour seulement 4 % de la fertilisation azotée, le reste a été transformé et utilisé sous forme d'urée pour 57 % de la fertilisation azotée, de phosphates d'ammonium pour 8 %, de nitrate d'ammonium pour 6 %, de sulfate d'ammonium pour 3 %.
Aux Etats-Unis, en 2016, 88 % de la consommation d'ammoniac est destinée à une utilisation sous forme d'engrais. Dans ce pays, compté en N contenu, en 2015, 24,2 % de la consommation d'engrais azotés est sous forme d'ammoniac anhydre, 27,6 % sous forme de solutions, 22,5 % d'urée, 17,1 % d'engrais complexes, 2,5 % de sulfate d'ammonium, 2,1 % de nitrate d'ammonium.
En Europe, en 2015-16, les nitrates représentent 46 % de la fertilisation azotée, l'urée 24 %, les solutions 13 %.
Aux Etats-Unis, l'utilisation des engrais azotés est principalement réalisée directement avec de l'ammoniac (24 % de la fertilisation azotée) alors que dans d'autres régions, par exemple en Inde et en Chine, l'urée domine, avec respectivement 81 et 67 % de la fertilisation azotée ou, en Europe, le nitrate d'ammonium, avec 42 % de la fertilisation azotée.

Autres utilisations : plastiques et fibres (polyuréthane, résines urée-formol, nylon, acrylonitrile...), explosifs (NH4NO3).

Ces utilisations représentent 18 % de la consommation mondiale, à 77 % par la chimie, 17 % la fabrication d'explosifs, 5 % l'environnement.

- NH3 est un intermédiaire dans la fabrication d'acide nitrique, d'urée, de nitrate d'ammonium, utilisés en grande partie dans les secteurs cités ci-dessus et principalement les engrais.

- Intervient, en étant recyclé, dans le procédé Solvay de fabrication du carbonate de sodium.

- Fluide réfrigérant : 45 t de NH3 circulent dans 80 km de canalisations pour réfrigérer la piste de bobsleigh de La Plagne (73) construite pour les Jeux Olympiques d'hiver d'Albertville de 1992. Utilisé en remplacement des CFC.

- Utilisé pour éliminer l'aflatoxine (substance toxique) des sous-produits du pressage de l'huile d'arachide employés pour fabriquer des tourteaux pour l'alimentation animale.

Rôle de l'ammoniac dans l'acidification des sols due aux pluies :

En 2014, l'acidification due aux pluies provient à 62 % des émanations d'ammoniac, 29 % de celles des oxydes d'azote et 8 % de celles du dioxyde de soufre. En 1980, celle-ci était principalement due au dioxyde de soufre avec 54 %, puis à l'ammoniac et aux oxydes d'azote avec 23 % chaque. Entre ces deux dates on a assisté à une diminution régulière de la pollution par le dioxyde de soufre alors que celle due à l'ammoniac reste sensiblement constante.

En 2016, en France métropolitaine, les émissions d'ammoniac ont été de 679 000 t, dues, en 2015, à 64 % aux déjections animales des élevages et 34 % aux apports d'engrais pour les cultures. En 1980, les émissions d'ammoniac étaient de 712 000 t.

A priori, il est surprenant que l'ammoniac joue un rôle, non négligeable, sur l'acidification due aux pluies. En effet le pKa du couple NH4+/NH3 est de 9,2 et en conséquence, l'ammoniac est une base faible. Lors de l'épandage d'engrais, en particulier d'urée qui libère de l'ammoniac lors de son hydrolyse, une partie de celui-ci est libérée dans l'atmosphère et dans un premier temps peut neutraliser l'acidité des pluies en formant des ions NH4+ lors de sa dissolution. Toutefois, la formation d'ion ammonium (NH4+) contenu dans les pluies et la présence de celui-ci lors d'épandage d'engrais le renfermant, par exemple les ammonitrates, se traduit, dans les sols, par une action de nitrification qui, à l'aide de bactéries contenues naturellement dans les sols, produit des ions nitrate mais aussi des ions H+, selon les réactions suivantes :

2 NH4+ + 3 O2 = 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+

2 NO2- + O2 = 2 NO3-

 

Bibliographie :

- Informations de l'Union des Industries de la Fertilisation, Le Diamant A, 92909 Paris La Défense Cedex.

- Informations de Fertilizers Europe, Av E. Van Nieuwenhuyse, 4, B-1160, Bruxelles, Belgique.

- Informations de International Fertilizer Industry Association (IFA), 49 rue d'Iéna, 75116 Paris.

- "Final report for a study on composition and drivers of energy prices and costs in energy intensive industries : the case of the chemical industry - ammonia", Centre for European Policy Studies, janvier 2014.

- Informations de Yara et Yara France, 100 rue Henri Barbusse, 92751 Nanterre Cedex.

- Centre Interprofessionnel Technique d’Études de la Pollution Atmosphérique (CITEPA), 42 rue du Paradis, 75010 Paris.

 

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