Transformation sectorielle de la production d'ammoniac
Acronyme : SCALENH3
Programme : Appel à projets de recherche - Énergie Durable : production, gestion et utilisation efficaces et à moindre impact
Mots-clés : Energie
Contexte : Le projet SCALENH3 s’inscrit dans la continuité d’un ensemble de travaux expérimentaux conduits entre 2022 et 2025 par la société SWAN-H, portant sur le développement d’un procédé électrochimique innovant de synthèse d’ammoniac à partir d’azote atmosphérique et d’eau. Ces recherches ont permis de valider expérimentalement une séquence redox en solution impliquant des médiateurs borés régénérables, dans un dispositif électrochimique compartimenté, fonctionnant à température et pression ambiantes. Les résultats obtenus sur des prototypes de laboratoire (cellules de 5 cm²) ont démontré la faisabilité du procédé et justifient le passage à une phase de montée en échelle modulaire. Le projet actuel constitue ainsi la première transposition à une échelle préindustrielle (TRL 6) de cette technologie, avec pour objectif la démonstration de sa robustesse en conditions représentatives de fonctionnement industriel. Il mobilise les acquis d’une thèse CIFRE en cours, conduite en partenariat avec le LHFA (CNRS Toulouse), qui porte sur l’étude fondamentale des mécanismes d’activation du diazote par médiateurs borés. Cette thèse, bien que complémentaire, relève d’un autre périmètre et ne comprend pas les volets d’intégration électrochimique et de montée en échelle ciblés dans SCALENH3. En parallèle, le projet bénéficie d’un écosystème scientifique structuré autour de collaborations actives avec plusieurs laboratoires et experts de renom, dont le Pr. Holger Braunschweig (Université de Würzburg), spécialiste de la chimie du bore, et le Pr. Inke Siewert (Université de Göttingen), experte en électrochimie redox. Ces collaborations garantissent une continuité scientifique de haut niveau, notamment sur les aspects de validation mécanistique et de caractérisation des performances électrochimiques. Des échanges sont également en cours avec des groupes de normalisation (AFNOR, ISO TC 158) dans la perspective d’une contribution aux référentiels de l’ammoniac renouvelable. Le projet s’inscrit en cohérence avec les orientations du SRI-SI Occitanie, qui cible les vecteurs énergétiques de nouvelle génération et les procédés électro-intensifs bas-carbone. Il constitue une étape critique de structuration d’une filière technologique de production d’ammoniac vert modulaire, complémentaire aux programmes européens centrés sur l’hydrogène (ARENH₂, NEON, ENOUGH), sans pour autant en dupliquer les objectifs. Aucune initiative identifiée à ce jour ne cible la réduction du diazote par médiation borée recyclable dans un dispositif électrochimique compartimenté en boucle fermée. Le programme SCALENH3 vise à relier ces travaux antérieurs à un développement applicatif rapide, en réponse à une demande industrielle formalisée par Thermi Lyon, partenaire industriel engagé, qui projette l’intégration de la technologie dans ses installations de traitement thermique. Il s’inscrit ainsi dans une logique de filiation technologique claire, combinant des résultats déjà démontrés, une base scientifique solide, des besoins industriels exprimés, et une stratégie de maturation industrielle progressante.
Description : En rupture avec les logiques de production centralisée du procédé Haber-Bosch, SWAN-H propose une nouvelle voie de production d’ammoniac renouvelable, modulaire, délocalisée et écologiquement optimisée. Il s’inscrit dans la transformation du modèle technologique de la filière ammoniac, en réponse aux priorités nationales et européennes de décarbonation industrielle et de souveraineté sur les intrants azotés. Le projet repose sur un procédé électrochimique de synthèse d’ammoniac à partir d’azote atmosphérique et d’eau, fonctionnant à température et pression ambiantes, sans catalyseur métallique ni conditions extrêmes. L’activation de l’azote est assurée par un médiateur boré en solution, formant une espèce radicalaire apte à engager la fonctionnalisation multiple de la liaison N≡N. L’ammoniac est généré par protonation acide dans une cellule compartimentée, assurant la séparation fonctionnelle des demi-cellules et la régénération en boucle fermée du médiateur. Ce procédé, sans co-produit carboné ni catalyseur en métaux critiques, est compatible avec une alimentation d’énergie renouvelable intermittente. Le projet vise à valider cette technologie dans des réacteurs de complexité et de volume croissants, en vue d’une montée en échelle vers un réacteur industriel, à partir d’un prototype électrochimique fonctionnel basé sur une technologie déjà validée à petite échelle. Alors que les premières cellules ont été conçues avec une surface d’électrode de 5 cm² pour une productivité d’environ 1 g/h, le démonstrateur visera des productions d’ammoniac multipliées par 5, 10 puis 45, en fonctionnement continu. Cette évolution préparera un scale-up vers une production de l’ordre du kg/h, en réponse à une commande de l’industriel Thermi Lyon, utilisateur d’ammoniac ultra-pur 2N (>5 €/kg) pour des traitements thermiques spécifiques. Le démonstrateur préfigurera ainsi une solution modulaire de production locale, adaptée aux besoins industriels, avec un fort potentiel de décarbonation du procédé et de sa chaîne logistique. Les travaux porteront sur l’optimisation du rendement faradique, la gestion multiphasique des flux, la stabilité des électrodes et la reproductibilité du système. Le design du réacteur intégrera : deux facettes, étudiées en parallèle. 1) des modules d’électrolyse plus grands de 25 cm2 puis 225 cm² (scale-up) et 2) des modules mis en parallèle dans des stacks, 2x 25 cm2 puis progressivement plus grand, jusqu’à 9 x 25 cm² (scale-out). Le fonctionnement des prototypes selon deux stratégies de montée en échelle permettra d’optimiser les conditions électrochimiques, de maîtriser la cinétique des réactions tout en limitant les réactions parasites, d’ajuster la circulation des fluides (catholyte, anolyte, azote, protons), et d’assurer le contrôle en ligne du NH₃ produit. Le système sera dimensionné pour rester performant sous alimentation intermittente. Les résultats attendus incluent : - deux réacteurs avec capacité d’au moins quarante fois supérieure au prototype actuel, - une efficacité énergétique visée < 30 MWh/t NH₃, avec une cible post-projet de 10 à 15 MWh/t NH₃ - une stabilité > 500 cycles pour les médiateurs existants, - un design modulaire transposable à des réacteurs industriels. En alternative aux procédés Haber-Bosch électrolytiques, exigeant une alimentation énergétique stable, SWAN-H apporte une solution de synthèse d’ammoniac souple, compatible avec le solaire et l’éolien. Il permet une production locale, évitant les émissions liées au transport de l’ammoniac et réduisant la dépendance aux importations. SWAN-H constitue ainsi une réponse technologique crédible aux enjeux de relocalisation industrielle, de décarbonation des intrants et d’usage stratégique du vecteur azoté.
Objectifs et résultats attendus : Le projet SWAN-H a pour objectif de valider un procédé électrochimique de rupture pour la production d’ammoniac renouvelable, capable de fonctionner à température et pression ambiantes, sans catalyseur métallique, ni recours à l’hydrogène issu de filières carbonées. Cette technologie, fondée sur l’activation du diazote atmosphérique par des médiateurs borés recyclables en solution aqueuse, permet une synthèse d’ammoniac compatible avec une alimentation électrique intermittente d’origine solaire ou éolienne. L’objectif opérationnel est l’atteinte d’un démonstrateur préindustriel de TRL 6, avec les performances suivantes : productivité comprise entre 45 et 90 g/h, efficacité faradique supérieure à 40 %, stabilité ≥ 72 heures, et consommation énergétique spécifique inférieure à 30 MWh par tonne d’ammoniac produite. Ces résultats seront obtenus par la montée en échelle de cellules électrochimiques de 225 cm² et leur intégration en modules parallèles (stack), dans une configuration modulaire réplicable. Le projet se concentre sur les usages industriels intermédiaires (10–100 kg/semaine), aujourd’hui desservis par des filières logistiques contraignantes et fortement émettrices. Il répond à la demande formulée par un industriel utilisateur d’ammoniac ultra-pur, Thermi Lyon, dont les applications requièrent une pureté spécifique non compatible avec les méthodes de compression et de transport classiques. Le démonstrateur visera ainsi une production locale d’un ammoniac décarboné, anhydre, directement valorisable sur site, sans étape de purification ou de conditionnement complexe. Les résultats attendus vont au-delà de la seule validation technique : – Sur le plan industriel , le projet démontre la faisabilité d’une production décentralisée d’un intrant critique, historiquement dépendante de très grandes unités centralisées alimentées en gaz fossile. – Sur le plan environnemental , il permet une réduction directe de l’empreinte carbone, avec jusqu’à 1,8 tCO₂ évitée par tonne d’ammoniac produite, sans co-produit carboné ni effluent dangereux. – Sur le plan stratégique , il apporte une réponse concrète aux objectifs du Green Deal européen, du plan France 2030 et des stratégies régionales d’innovation, en reterritorialisant la production de molécules clés pour la chimie, les engrais et l’énergie. Enfin, le projet constitue une première brique technologique vers un nouveau modèle de production à la demande d’ammoniac bas-carbone, modulaire, interconnectable aux énergies renouvelables, et capable de renforcer l’autonomie industrielle des territoires. Il ouvre la voie à un déploiement progressif de réacteurs sur sites multiples, dans des configurations flexibles, avec un impact mesurable sur la transition énergétique des filières utilisatrices d’intrants azotés.
Bénéficiaire : SWAN-H
Localisation : Toulouse, Occitanie, FRANCE
Début : 01/01/2026 — Durée : 24 mois
Budget total : 668523.85 € — Aide ADEME : 300000 €
Statut : Suivi du projet