Les scientifiques et les ingénieurs de l'UNSW Sydney, qui ont précédemment développé une méthode pour fabriquer de l'ammoniac vert, se sont maintenant tournés vers l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pour rendre le processus encore plus efficace.
L'ammoniac, une substance riche en azote trouvée dans les engrais, est souvent crédité d'avoir sauvé une grande partie du monde de la famine au 20e siècle. Mais son avantage pour l'humanité a coûté un coût, avec l'une des plus grandes empreintes carbone de tous les processus industriels.
Pour le produire, les plantes industrielles ont besoin de températures de plus de 400 ° C et de pressions extrêmement élevées – plus de 200 fois la pression atmosphérique normale. Ces exigences à forte intensité énergétique ont fait de la production d'ammoniac un contributeur majeur aux émissions mondiales de gaz à effet de serre, représentant 2% dans le monde.
Mais en 2021, une équipe de l'UNSW a découvert un moyen de fabriquer de l'ammoniac à partir de l'air et de l'eau en utilisant des énergies renouvelables, à peu près la même température qu'une chaude journée d'été.
Le Dr Ali Jalili, avec l'École de chimie de l'UNSW, dit que la preuve de concept originale a démontré que l'ammoniac pouvait être entièrement créé à partir d'énergie renouvelable, à basse température et sans émettre de carbone, il y avait encore de la place à l'amélioration. Par exemple, pourrait-il être produit plus efficacement, en utilisant une énergie plus faible, moins d'énergie gaspillée et produisant plus d'ammoniac?
Pour répondre à ces questions, l'équipe avait besoin de trouver le bon catalyseur – une substance qui accélère la réaction chimique sans en être consommée. Comme ils l'ont expliqué dans un article publié dans la revue Petitl'équipe a commencé par proposer une liste restreinte de candidats prometteurs de catalyseurs.
« Nous avons sélectionné 13 métaux qui, selon les recherches antérieurs, avaient les qualités que nous voulions – par exemple, ce métal est bon pour absorber l'azote, celui-ci est bon pour absorber l'hydrogène, etc. », explique le Dr Jalili.
« Mais le meilleur catalyseur aurait besoin d'une combinaison de ces métaux, et si vous faites le calcul, cela se révèle être plus de 8 000 combinaisons différentes. »
Entrer l'intelligence artificielle
Les chercheurs ont nourri un système d'apprentissage automatique des informations sur le comportement de chaque métal et l'ont entraîné pour repérer les meilleures combinaisons. De cette façon, au lieu d'avoir à exécuter plus de 8 000 expériences en laboratoire, ils n'ont eu qu'à exécuter 28.
« L'IA a considérablement réduit le temps et les ressources de découverte, en remplacement des milliers d'expériences d'essai et d'erreur », explique le Dr Jalili.
« Avoir une liste restreinte de 28 combinaisons différentes de métaux signifiait que nous avons économisé énormément de temps dans les travaux de laboratoire par rapport à si nous devions tester les 8 000 d'entre eux, ce qui n'était tout simplement pas possible. »
Le combo gagnant était un mélange de fer, bismuth, nickel, étain et zinc. Alors que les chercheurs s'attendaient à une amélioration du processus de production d'ammoniac vert, ce nouveau catalyseur à cinq mètres a dépassé même leurs attentes les plus optimistes.
« Nous avons atteint une amélioration de sept fois dans le taux de production de l'ammoniac et, en même temps, il était presque efficace à 100%, ce qui signifie que presque toute l'énergie électrique dont nous avions besoin pour faire la réaction a été utilisée pour faire de l'ammoniac – très peu a été gaspillé. »
Connu sous forme d'efficacité faradaïque, les scores à haute efficacité signifient que le processus est plus durable, rentable et évolutif, ce qui est crucial pour faire de l'ammoniac vert une alternative viable aux méthodes basées sur les combustibles fossiles. Le Dr Jalili dit que son équipe a pu faire de l'ammoniac de cette façon à 25 ° C ambiant, moins de 10% de la température nécessaire pour faire de l'ammoniac la voie conventionnelle via la méthode Haber-Bosch.
« Cette approche à basse température et à haute efficacité rend la production d'ammoniac verte viable et évolutive. Nous pensons qu'il peut rivaliser directement avec des voies électrifiées Haber – Bosch et même à base de fossiles, créant une voie réaliste pour l'ammoniac vraiment vert. »
Élevage de production
Pour l'avenir, le Dr Jalili et son équipe de recherche espèrent que la nouvelle amélioration de la production d'ammoniac vert peut conduire à un impact réel. L'objectif est qu'un jour bientôt, les agriculteurs pourront produire de l'ammoniac pour les engrais sur place, à faible coût et à faible énergie, éliminant le besoin de livraison via des voies de transport, ce qui réduit l'empreinte carbone de la production d'ammoniac.
En fait, la production localisée d'ammoniac a déjà commencé, bien qu'elle soit toujours en phase d'essai. Les agriculteurs peuvent acheter ou louer des modules d'ammoniac, qui sont des systèmes compacts et construits en usine de la taille d'un conteneur d'expédition. Chaque module combine le catalyseur, le générateur de plasma et l'électrolyzer optimisés en AI dans un seul package de plug-and-play.
« Pendant un siècle, la production d'ammoniac était basée sur des usines massives et centralisées qui réduisent les coûts en opérant à énorme échelle, mais ces projets prennent des années à construire, nécessitent des milliards de dollars de capitaux et ne peuvent pas s'adapter rapidement à mesure que les marchés de l'énergie changent », a déclaré le Dr Jalili.
« Notre approche se détache de l'ère des plantes centralisées à l'échelle de Giga et ouvre la porte à des unités plus petites et décentralisées qui nécessitent des investissements initiaux beaucoup plus bas. »
Stockage d'énergie d'hydrogène
Un autre avantage de la production d'ammoniac à faible coût et à faible énergie est le rôle qu'elle peut jouer dans l'évolution du monde vers une économie d'hydrogène. L'ammoniac liquide stocke plus d'énergie d'hydrogène que l'hydrogène liquide, ce qui signifie qu'il s'agit d'un meilleur concurrent pour le stockage et le transport des énergies renouvelables.
« Ce même système se double d'un support d'hydrogène sans carbone, créant de nouvelles opportunités économiques qui s'alignent sur le passage mondial vers une économie hydrogène propre », explique le Dr Jalili.
S'appuyant sur leurs preuves à l'échelle de la ferme de la production d'engrais azotés, l'équipe du Dr Jalili déploie désormais leur catalyseur découvert par l'IA dans les modules d'ammoniac distribués pour réduire les coûts, aiguiser la compétitivité de l'ammoniac vert et accélérer son adoption sur le marché mondial.
