Ammoniac

7

N

Azote

1

H

Hydrogène

Produit minéral

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule	Masse molaire	Moment dipolaire	Géométrie de la molécule
NH3	17,03 g.mol-1	1,4718 D	Distance interatomique : N-H : 101,5 pm Angle HNH : 106,6°

Données physiques

Masse volumique	Température de fusion	Température de sublimation	Température critique	Pression critique	Température  point triple	Pression point triple	Température d’auto-inflammation	Limites d’explosivité dans l’air	Solubilité dans l’eau
gazeux, 15°C, 101,3 kPa : 0,729.10-3 g.cm-3 liquide, à -33,35°C : 0,682 g.cm-3 solide, à -77,74°C : 0,817 g.cm-3	-77,74°C	-33,35°C	132,25°C	11 330 kPa	-77,60°C	6,111 kPa	630°C	de 15,5 à 27 %, en volume	à 0°C : 89,9 g/100 g d’eau à 100°C : 7,4 g/100 g eau

Données chimiques

pKa : NH4+aq/NH3

9,24

Données thermodynamiques

Ammoniac gazeux : Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -45,94 kJ.mol-1 Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -16,5 kJ.mol-1 Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 192,67 J.K-1mol-1 Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 35,1 J.K-1mol-1 Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 5,6 kJ.mol-1

Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 23,4 kJ.mol-1 Ammoniac en solution aqueuse : Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -80,3 kJ.mol-1 Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -26,6 kJ.mol-1 Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 111,3 J.K-1mol-1

Données industrielles

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 vaporeformage 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 2021, le gaz naturel est la matière première adoptée pour 72 % des capacités mondiales de production de NH₃, soit 20 % de la demande de gaz naturel, le charbon et le gaz de cokerie pour 22 % (à 95 % en Chine) soit 5 % de la demande de charbon, le fuel ou le naphta pour 6 %.
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.

En 2019, le gaz naturel représente 35 % des coûts de production du principal producteur mondial CF Industries.

Fabrication industrielle

Principe : 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 vaporeformage et avant la conversion. A ce stade, le gaz de synthèse contient de 5 à 11 % de méthane non transformé. Un reformage 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        Δ_rH°₂₉₈ = – 92,2 kJ/mole.

Les nouvelles unités de production peuvent donner 3 300 t NH₃/jour et atteindre jusqu’à 4 250 t/jour. La consommation moyenne d’énergie est de 34,7 GJ/t dans l’Union européenne, elle est de 27 GJ/t pour les nouvelles unités de production.

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	Al2O3	CaO	K2O	MgO	SiO2
94,3 %	2,3 %	1,7 %	0,8 %	0,5 %	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).

Exemples d’unités de production :

• La plus grande usine, au monde, est celle exploitée par CF Industries, aux État-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, 5 d’urée avec une capacité de production de 2,390 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 2,952 millions de t/an. La capacité de stockage est de 140 000 t d’ammoniac.
• 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 1,9 million de t/an. L’ammoniac est utilisé dans 2 unités de production d’acide nitrique avec une capacité de production de 1,4 million de t/an, dans 2 unités de productions d’urée avec une capacité de production de 1,3 million de t/an et des unités de production de nitrates avec une capacité de production de 1,9 million de t/an.

Stockage : 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. CF Industrie possède une capacité de stockage de 1,315 million de t.

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.

Ammoniac vert : afin de lutter contre le réchauffement climatique, les producteurs d’ammoniac commencent à envisager sa production à partir de dihydrogène vert. On distingue :

• l’ammoniac brun ou gris : celui qui est produit actuellement selon de procédé Haber-Bosch à partir de gaz naturel ou de charbon,
• l’ammoniac bleu : obtenu selon la voie traditionnelle suivie de la captation et le stockage du dioxyde de carbone coproduit,
• l’ammoniac vert : obtenu à partir de dihydrogène provenant de l’électrolyse de l’eau à l’aide d’électricité obtenue à partir d’énergie renouvelable.

La première production d’ammoniac bleu, avec 285 000 t/an, a été réalisée en 1982 par Koch Nitrogen Company à Enid, dans l’Oklahoma, aux États-Unis, le CO₂ capté étant destiné à être injecté dans un gisement de pétrole afin d’augmenter sa production. Depuis 2019, Nutrien produit ainsi 250 000 t/an d’ammoniac bleu en stockant 300 000 t/an de CO₂ sur son site de Redwater.

Divers projets de production d’ammoniac vert commencent à prendre forme par exemple pour Yara en Australie avec 3 500 t/jour, aux Pays Bas à Sluiskil  avec 75 000 t/an, en Norvège à Porsgrunn avec 500 000 t/an ou pour CF Industrie avec la conversion de 20 000 t/an dans son usine de Donaldsonville.

La production d’ammoniac vert a débuté en 1921. En 1930, elle représentait 1/3 de la production mondiale, les 2/3 restant étant obtenu à partir du charbon. Face à la concurrence du gaz naturel, cette production a quasi disparu, en 2021, il n’y a plus en activité qu’une seule production d’ammoniac vert, depuis 1965, par Enaex, au Pérou, à Cusco, à partir d’hydroélectricité avec une capacité de 10 000 t/an. L’ammoniac produit est destiné principalement à produire du nitrate d’ammonium comme explosif pour l’industrie minière du pays.

Productions

Production d’ammoniac

En 2023, en millions de t de NH3, sur un total mondial de 182 millions de t. Source : USGS.

En milliers de t, en 2022, sur un total de 182 millions de t

Chine	52 000		Iran	5 300
Russie	17 000		Arabie Saoudite	4 900
États-Unis	17 000		Égypte	4 900
Inde	17 000		Trinité et Tobago	4 500
Indonésie	7 300		Pakistan	4 100

Source : USGS

En 2022, la production de l’Union européenne est de 10,359 millions t de NH₃.

En 2021, les capacités mondiales de production sont de 236,4 millions de t/an d’ammoniac avec 467 usines.

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

Aux États-Unis, en 2023, 17 sociétés exploitent 36 usines de production situées pour 60 % des capacités de production, sur un total de 17,874 millions de t/an, en Louisiane, Oklahoma et Texas. Les principaux producteurs sont : CF Industries Holdings avec 39,8 % des capacités de production, Nutrien avec 13,8 % des capacités de production, Koch Nitrogen avec 10,3 % 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 2022, en milliers de t NH₃, soit 10,359.

	Capacité, en kt/an	Nombre d’usines	Production, en kt		Capacité, en kt/an	Nombre d’usines	Production, en kt
Allemagne	3 438	5	2 011	Bulgarie	1 118	3	*
Pologne	3 210	5	2 103	Belgique	1 020	2	*
Pays Bas	2 717	2	*	Espagne	609	3	373
Roumanie	2 176	6	439, en 2021	Slovaquie	429	1	48
France	1 495	4	857	Croatie			55
Lituanie	1 118	1	523	Hongrie		2	*

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

Principaux producteurs : hors producteurs chinois, en 2021.

en millions de t/an de capacité de production d’ammoniac

CF Industries (États-Unis)	9,79		Ostchem (Ukraine)	5,18
Yara (Norvège)	8,5		EuroChem (Russie)	4,20
PT Pupuk (Indonésie)	7,09		TogliattiAzot (Russie)	3,50
Nutrien (Canada)	7,1		Sabic (Arabie Saoudite)	3,50
OCI (Pays Bas)	6,92		Koch (États-Unis)	3,29

• CF Industries, possède des usines de production aux États-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 1,098 million de t/an et Woodward avec 435 000  t/an, dans l’Iowa à Port Neal avec 1,116 million de t/an, au Canada, dans l’Alberta à Medecine Hat avec 1,116 million de t/an et dans l’Ontario à Courtright avec 453 000 t/an, au Royaume Uni et détient à Trinidad et Tobago une participation de 50 % de Point Lisas Nitrogen Limited avec 327 000 t/an. En 2023, la production totale d’ammoniac de CF Industries a été de 8,615 millions de t.
• 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 800 000 t/an, à Cartagène en Colombie avec 117 000 t/an, à Babrala en Inde avec 800 000 t/an, à Cubatão au Brésil avec 200 000 t/an et à Pilbara en Australie avec 800 000 t/an, ainsi que des participations dans des unités à Freeport aux États-Unis avec 68 % de participation et 600 000 t/an, à Trinidad et Tobago avec 49 % de participation et 500 000 t/an, en Libye avec 50 % de Lifeco et 200 000 t/an. En 2023, la production de Yara a été de 6,391 millions de t d’ammoniac.
• En 2022, la production de PT Pupuk, en Indonésie, a été de 5,957 millions de t.
• Nutrien issu, de la fusion, effective depuis le 1^er janvier 2018, entre PotashCorp (Potash Corporation of Saskatchewan, Canada) et Agrium  possède aux États-Unis des unités de production à Augusta, en Géorgie, avec une capacité de production de 0,765 million de t/an, à Geismar, en Louisiane, avec une capacité de production de 0,535 million de t/an, à Lima, dans l’Ohio, avec une capacité de production de 0,725 million de t/an, à Borger, au Texas, avec une capacité de production de 0,470 million de t/an, au Canada, dans l’Alberta, des unités de production à Redwater avec une capacité de production de 0,951 million de t/an, à Carseland avec une capacité de production de 0,540 million de t/an, à Joffre avec une capacité de production de 0,490 million de t/an, à Fort Saskatchewan avec une capacité de production de 0,450 million de t/an, et à Trinidad et Tobago, à Point Lisa, avec une capacité de production de 2,2 millions de t/an. La production totale, en 2023, a été de 5,76 millions de t.
  Par ailleurs Nutrien possède en Égypte, à Damiette, 26 % de la société Mopco et une capacité de 0,310 million de t/an et en Argentine, à Bahia Blanca, 50 % de la société Profertil et une capacité en propre de 0,405 million de t/an.
• OCI produit de l’ammoniac aux Pays Bas, à Geleen avec une capacité de production de 1,196 million de t/an, en Algérie, à Arzew avec 51 % de la société Sorfert et 1,606 million de t/an, en Égypte, à Ain Sokhna, près de Suez avec 1,624 million de t/an, aux États-Unis, à Wever dans l’Iowa avec 926 000 t/an, et à Beaumont, au Texas avec 375 000 t/an, aux Émirats Arabes Unis avec 1,205 million 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 : en 2022, sous forme anhydre.

Principaux pays exportateurs sur un total de 18,577 millions de t, en 2021 :

en milliers de t de NH₃

Trinidad et Tobago	3 382		Russie	920
Indonésie	1 929		États-Unis	908
Arabie Saoudite	1 508		Pays Bas	477
Algérie	1 157		Malaisie	389
Canada	1 115		Égypte	340

Les exportations de Trinidad et Tobago, en 2021, sont destinées à 48 % aux États-Unis, 25 % au Maroc, 23 % au Mexique, 10 % à la France.

Principaux pays importateurs :

en milliers de t de NH₃

États-Unis	2 350		Inde	580
Maroc	1 885		Norvège	501
Corée du Sud	1 285		Taipei chinois	499
Belgique	889		France	456
Turquie	796		Allemagne	448

Les importations des États-Unis proviennent à 49 % de Trinidad et Tobago, 47 % du Canada.

Par ailleurs, en 2020, le commerce international de l’ammoniac en solution aqueuse a porté sur 4,727 millions de t.

Situation française

Production : 857 495 t, en 2022, avec une capacité de production de 1,495 million de t/an.

Usines : en t de NH₃ de capacités annuelles.

Le 1^er juillet 2013, la société GPN, filiale de Total, a été acquise par Borealis, société autrichienne détenue à 25 % par Mubadala, société d’Abu Dhabi et 75 % par le groupe pétrolier autrichien OMV. En juillet 2023, les activités de Borealis dans les produits azotés ont été acquises par le groupe tchèque Agrofert.

• Grandpuits (Agrofert) : 439 000 t/an.
• Grand Quevilly (Agrofert) : 400 000 t/an.
• Le Havre (Yara France) : 400 000 t/an.
• Ottmarsheim (Agrofert) : 260 000 t/an.

Localisation des usines françaises de production d’ammoniac

 

Commerce extérieur : en 2023.

Les exportations étaient :

• pour l’ammoniac anhydre de 129 975 t à destination principalement de la Belgique à 50 %, de l’Allemagne à 31 %,  de la Finlande à 13 %, de la Norvège à 6 %.
• pour les solutions aqueuses d’ammoniac de 12 755 t à destination principalement de la Suisse à 82 %, de l’Allemagne à 6 %, de l’Italie à 3 %.

Les importations s’élevaient :

• pour l’ammoniac anhydre à 431 060 t en provenance principalement de Trinidad et Tobago à 33 %, d’Algérie à 32 %, d’Allemagne à 13 %, des Pays Bas à 8 %.
•  pour les solutions aqueuses d’ammoniac à 65 584 t en provenance principalement de Belgique à 40 %, des Pays Bas à 19 %, d’Espagne à 9 %, d’Autriche à 6 %.

Utilisations

Consommations : en 2023, en millions de t de NH₃. Monde : 189, Union européenne, en 2017 : 20,1. Répartition :

Chine	23 %		Amérique du Nord	13 %
Inde	18 %		Europe	11 %
Reste de l’Asie	13 %		Amérique du Sud	8 %

Secteurs d’utilisation :

Les engrais représentent 82 % de la consommation mondiale d’ammoniac (voir ce chapitre). Il est principalement transformé en divers produits utilisés comme engrais avec, en 2020, 53 % transformé en urée, 8 % en nitrate d’ammonium, 6 % en phosphates d’ammonium, 6 % en solutions urée nitrate d’ammonium, 4 % en sulfate d’ammonium. En 2020, dans le monde, principalement aux États-Unis, l’ammoniac a été utilisé directement pour seulement 3 % de la fertilisation azotée.

Aux États-Unis, en 2021, 88 % de la consommation d’ammoniac est destinée à une utilisation sous forme d’engrais. Dans ce pays, compté en N contenu, en 2020, 25 % de la consommation d’engrais azotés est sous forme d’ammoniac anhydre, 26 % sous forme de solutions urée – nitrate d’ammonium, 25 % d’urée, 3 % de sulfate d’ammonium, 2 % de nitrate d’ammonium.
Dans l’Union européenne, en 2020-21, les nitrates représentent 47 % de la fertilisation azotée, l’urée 19 %, les solutions urée – nitrate d’ammonium 13 %.
Aux États-Unis, l’utilisation des engrais azotés est souvent réalisée directement avec de l’ammoniac (25 % 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.

Acidification des sols

En 2017, l’acidification due aux pluies provient à 62 % des émanations d’ammoniac, 30 % de celles des oxydes d’azote et 7,5 % 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 2019, en France métropolitaine, les émissions d’ammoniac ont été de 592 200 t, dues, à 66 % aux déjections animales des élevages et 27 % 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 pK_a 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^–

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Archives

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