Engrais azotés de synthèse

Les engrais azotés de synthèse apportent aux racines des cultures de l’azote que l’industrie a pris dans l’air. Presque tous partent aujourd’hui de l’ammoniac, fabriqué à partir de l’azote atmosphérique et d’hydrogène par le procédé Haber-Bosch. Une usine expérimentale de Westeregeln, en Allemagne, a commencé à produire de la cyanamide calcique à partir de l’azote de l’air à la fin de 1904, des usines à arc ont suivi en Norvège dès 1905, et la première usine de synthèse de l’ammoniac a démarré à Oppau, en Allemagne, en 1913.

Ce que c’est

Les cultures ont besoin de beaucoup d’azote, qui entre dans leurs protéines et dans leur chlorophylle. L’air qui les entoure en est fait pour l’essentiel, mais sous une forme qu’elles ne savent pas utiliser. Elles le puisent dans l’eau du sol, sous forme de nitrate ou d’ammonium, et chaque récolte en emporte une part hors du champ. Les paysans le rendaient autrefois au sol avec le fumier et avec les légumineuses, dont les bactéries des racines fixent l’azote de l’air, comme dans la rotation des cultures. Au XIXe siècle, ils l’achetaient aussi, surtout sous forme de salpêtre du Chili et de sulfate d’ammonium récupéré dans les usines à gaz.

Le salpêtre du Chili, raffiné à partir d’une roche appelée caliche, était le principal engrais azoté du marché avant 1914.

Un engrais azoté de synthèse, c’est de l’azote que l’industrie a tiré de l’air et qu’elle vend sous une forme soluble dans l’eau du sol. Presque tout part aujourd’hui de l’ammoniac, un composé d’azote et d’hydrogène. Une partie de l’ammoniac est injectée telle quelle dans le sol, mais la plus grande part est transformée en d’autres engrais, dont l’urée et, aux débuts de la synthèse, le sulfate d’ammonium. Avant que l’ammoniac ne l’emporte dans les années 1920, deux autres procédés industriels du début du XXe siècle vendaient aux agriculteurs l’azote de l’air : le nitrate de calcium obtenu à l’arc électrique et la cyanamide calcique.

Comment ça marche

Toute la difficulté tient à la molécule d’azote. Ses deux atomes sont si fortement liés qu’il faut beaucoup d’énergie pour les séparer ; dans la nature, ce sont surtout certaines bactéries du sol qui y parviennent. Les procédés industriels fournissent cette énergie sous forme d’électricité ou de chaleur tirée du charbon et du gaz.

Le procédé à l’arc de Kristian Birkeland et Sam Eyde se servait d’un arc électrique pour faire combiner un peu de l’azote de l’air à l’oxygène ; l’agriculteur achetait au bout du compte du nitrate de calcium. Dans le procédé à la cyanamide, l’azote était lié au calcium dans des fours électriques, et la cyanamide calcique ainsi formée libère de l’ammoniac dans un sol humide. Les deux consommaient beaucoup d’électricité. Les usines norvégiennes à l’arc se dressaient près des chutes d’eau, avec des génératrices mues par l’eau ; celle de cyanamide de Knapsack, en Allemagne, bâtie sur un gisement de lignite, produisait son courant dans sa propre centrale.

Le nitrate que la culture ne prélève pas quitte les champs par les drains et nourrit les algues des fossés et des rivières.

Le procédé Haber-Bosch, qui les a remplacés, combine l’azote de l’air et l’hydrogène pour donner de l’ammoniac. Il demande beaucoup moins d’électricité que l’arc. L’hydrogène vient aujourd’hui surtout du gaz naturel et, pour l’essentiel du reste, du charbon : les usines d’ammoniac brûlent donc beaucoup de combustibles fossiles et rejettent de grandes quantités de dioxyde de carbone.

Dans le champ, la culture absorbe le nitrate et l’ammonium dissous autour de ses racines. L’azote qu’elle n’utilise pas peut se perdre. Le nitrate suit l’eau : il descend vers la nappe ou ruisselle vers les fossés et les rivières, où il nourrit les algues avec le phosphore ; quand ces algues meurent et pourrissent, l’eau manque d’oxygène. Une partie de l’azote s’échappe aussi dans l’air, sous forme d’ammoniac ou de protoxyde d’azote, un gaz à effet de serre.

Histoire et évolution

Jusqu’en 1914, le salpêtre tiré des gisements de caliche du Chili fournissait la plus grande partie de l’engrais azoté vendu dans le monde, et beaucoup craignaient que ces gisements s’épuisent. Dans plusieurs pays, chimistes et ingénieurs cherchaient le moyen de prendre plutôt l’azote dans l’air.

La cyanamide calcique, qu’Adolph Frank et Nikodem Caro avaient appris à fabriquer à partir de l’azote de l’air, est proposée comme engrais en 1901. Un procédé concurrent est repris en 1904 à Westeregeln, près de Magdebourg, en Allemagne, où une usine expérimentale entre en service à la fin de l’année ; Anthony Travis note qu’elle ne s’est pas montrée rentable. En Italie, écrit-il, la société de Frank et Caro installe vers 1905 une usine à Piano d’Orta ; les premiers essais échouent et la production commence en 1907. L’encyclopédie danoise Lex date de 1905 le début de la production industrielle de cyanamide, l’histoire de l’entreprise Evonik de 1908.

En Norvège, le physicien Kristian Birkeland et l’ingénieur Sam Eyde s’associent en 1903 autour du four à arc, et en 1905 commencent les travaux d’une petite usine à Notodden, alimentée par une centrale hydroélectrique voisine. Norsk Hydro est fondée la même année, et son nitrate de calcium est vendu sous le nom de salpêtre de Norvège.

À Karlsruhe, Fritz Haber cherche un moyen de faire se combiner directement l’azote et l’hydrogène. En 1909, un appareil de laboratoire construit avec Robert Le Rossignol produit de l’ammoniac liquide, et l’entreprise chimique BASF, qui a acquis le procédé, charge Carl Bosch de le faire fonctionner à l’échelle industrielle. Son équipe le fait passer de l’appareil de laboratoire à de grands convertisseurs en acier. La première usine démarre à Oppau, près de Ludwigshafen, en 1913, et son ammoniac est transformé en sulfate d’ammonium pour l’agriculture.

Un convertisseur d’ammoniac de l’usine d’Oppau, conservé aujourd’hui comme monument à Karlsruhe.

Pendant la Première Guerre mondiale, l’Allemagne, privée du salpêtre chilien, transforme une grande partie du nouvel ammoniac en acide nitrique pour les explosifs et ouvre en 1917 une seconde usine, plus grande, à Leuna. Haber reçoit le prix Nobel de chimie au titre de 1918, et Bosch partage celui de 1931. Au milieu des années 1920, le procédé Haber-Bosch est devenu la principale méthode de fixation de l’azote, et Norsk Hydro elle-même construit des usines d’ammoniac pour remplacer ses fours à arc en 1928 et 1929.

L’emploi des engrais a fortement augmenté avec l’agriculture intensive de l’après-Seconde Guerre mondiale. Vaclav Smil a estimé que 40 % de la population mondiale dépendait en 2000 d’aliments cultivés avec de l’azote de synthèse, et l’équipe de Jan Willem Erisman a porté cette part à 48 % en 2008. Les coûts ont grandi en même temps. L’Union européenne a adopté sa directive Nitrates en 1991 à cause du nitrate des nappes et des proliférations d’algues dans les rivières et les mers, et l’ammoniac reste l’un des produits de l’industrie lourde qui émettent le plus de carbone.