Le prix de l'abondance : fixé sur l'azote

Jul 12, 2023

Près des méandres du fleuve Mississippi, dans le sud-est de la Louisiane, le complexe Donaldsonville de 1 400 acres de CF Industries s'élève dans un spectacle steam-punk. Le monstre des tours de refroidissement, des réservoirs, des fours, des tuyaux et des cheminées respire de la vapeur - et parfois des fuites d'ammoniac qui peuvent entraîner une commande d'abri sur place pour la communauté locale.

La nuit, le complexe colossal ressemble à une petite ville. Une vaste gamme de lumières vives guide les travailleurs dans une ruche animée de fabrication de produits chimiques. Près de 1 000 travailleurs de l'usine aident à produire près de 8 millions de tonnes de produits azotés par an pour l'agriculture et d'autres industries. L'ammoniac, le nitrate d'ammonium, l'urée et le fluide d'échappement diesel sont expédiés du complexe par pipelines, rail, camion et barges fluviales et océaniques.

L'exploitation de CF à Donaldsonville est la plus grande usine d'ammoniac au monde, selon l'entreprise. L'ammoniac, composé de trois atomes d'hydrogène liés à un atome d'azote, fait partie du processus de synthèse de l'azote. Parmi les « 3 grands » éléments nutritifs contenus dans les engrais commerciaux – l'azote, le phosphore et le potassium – l'azote est crucial pour la construction des protéines qui, à leur tour, forment les tissus de la plupart des êtres vivants.

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L'un des éléments chimiques les plus courants, l'azote constitue 78 % de l'air. Les plantes, les animaux et les humains ne peuvent pas vivre sans elle. Mais ils ne peuvent pas non plus l'utiliser sous sa forme gazeuse. Il doit être "réparé". La solution se produit lentement dans la nature, car les plantes et les micro-organismes convertissent l'azote atmosphérique en ammoniac. Au cours du siècle dernier, le correctif a également été surchargé à des fins industrielles dans le procédé dit Haber-Bosch qui combine l'azote de l'air avec de l'hydrogène sous une pression extrêmement élevée pour créer de l'ammoniac.

En 1918, le procédé a valu au chimiste allemand Fritz Haber un prix Nobel de chimie pour ses "moyens extrêmement importants d'améliorer les normes de l'agriculture et le bien-être de l'humanité". Un siècle plus tard, les démographes estiment que seulement la moitié des 8 milliards d'habitants de la planète pourraient être nourris sans engrais azotés de synthèse.

Mais le même nutriment qui nourrit des milliards de personnes peut aussi tuer, dans des armes chimiques, dans des explosions d'usines ou via des surdoses dans l'environnement. Sur-appliqué dans les fermes, l'excès d'azote s'écoule dans les cours d'eau où il alimente les algues qui prolifèrent, bloquent la lumière et privent d'oxygène les autres plantes et animaux.

"Il ne fait aucun doute que les engrais azotés procurent un énorme avantage à la société en stimulant la production de nourriture pour nourrir des milliards de personnes dans le monde, y compris dans les pays en développement", a rapporté ce printemps l'Environmental Integrity Project dans un appel à une plus grande réglementation de l'environnement. l'industrie en raison de menaces pour la sécurité publique et l'environnement. "Mais l'application excessive d'engrais chimiques a également un coût pour l'environnement, et ce préjudice augmente lorsque la fabrication de produits chimiques est mal réglementée."

Au début du XXe siècle, les agriculteurs d'Europe et des États-Unis comptaient sur les importations comme le salpêtre du Chili et d'énormes montagnes de guano du Pérou comme source d'azote fixe. La découverte par Haber de la production d'ammoniac synthétique a changé le monde, a déclaré le physicien Benjamin Johnson de l'Institut Max Planck pour l'histoire des sciences à Berlin.

Une transition énergétique majeure, alors vers les énergies fossiles, était en cours. L'agriculture s'industrialise. Les gens étaient enthousiasmés par l'invention de Haber, mais le plus difficile était de l'étendre, a déclaré Johnson, auteur du livre de 2022 Making Ammonia: Fritz Haber, Walther Nernst, and the Nature of Scientific Discovery.

La même année, il fait breveter sa découverte, en 1908, la société chimique BASF passe un contrat avec Haber pour développer une synthèse à haute pression à l'échelle industrielle de l'ammoniac. L'ingénieur chimiste de BASF, Carl Bosch, a été affecté au projet. Il devait construire l'usine et la mécanique qui pouvaient supporter des pressions de gaz et des températures intenses. Bosch "a dû proposer des boîtiers spéciaux pour maintenir ce mélange gazeux sous pression et le maintenir scellé afin que les fours à pression ne se cassent pas", a déclaré Johnson.

Au début, les tubes de Bosch éclataient, même lorsqu'ils étaient en acier au carbone. Sous haute pression et au-dessus de 400◦ C, la plupart des matériaux qu'il a essayés se sont désintégrés inévitablement. Il a expérimenté différents types d'acier et de catalyseurs et a finalement opté pour le procédé industriel encore utilisé dans les industries CF et d'autres usines pour produire de l'ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène. Dévoilée en 1914, la machine de Bosch mesurait 26 pieds de haut et pouvait fabriquer 198 livres d'ammoniac par heure. Avec une production annuelle de 4,3 millions de tonnes, l'usine de Donaldsonville de CF Industries fonctionne désormais 24 heures sur 24 pour produire 495 tonnes d'ammoniac par heure.

En 1931, Bosch, comme Haber avant lui, remporte le prix Nobel de chimie pour sa contribution à un monde meilleur.

Le processus Haber-Bosch a révolutionné l'agriculture, doublant le nombre de personnes qu'un acre de terre pouvait nourrir.

Mais la fabrication de composés azotés à partir de l'air pour les engrais a lancé Fritz Haber sur une voie sombre vers la guerre chimique. Au début de la Première Guerre mondiale, l'Allemagne fait face à une crise des munitions. Haber, alors directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm de chimie physique à Berlin, a décidé d'aider. Selon l'historienne allemande Margit Szöllösi-Janze, il a persuadé des dirigeants militaires et industriels, des scientifiques et des politiciens de développer la production d'armes chimiques à grande échelle.

Haber a orchestré la première utilisation de gaz toxique en temps de guerre sur le front occidental à Ypres, en Belgique, en avril 1915, en collaboration avec des météorologues pour capter les vents dominants. Il a conduit l'armée allemande à planter 6 000 cylindres d'acier dans des tranchées. Lorsque les soldats ont ouvert les vannes, 160 tonnes de chlore gazeux ont flotté sous le vent. La nouvelle arme a tué plus de 1 000 soldats français et algériens en quelques minutes et en a blessé des milliers d'autres.

Bien plus que ces pertes, Haber a été un catalyseur de la nouvelle guerre chimique mondiale qui a vu d'autres pays se précipiter pour développer des explosifs et des armes chimiques, selon Szöllösi-Janze. À la fin de la guerre, environ 1 000 scientifiques avaient travaillé sur le programme allemand de gaz toxiques.

Haber a été célébré pour son "succès" à Ypres et promu lors d'un rassemblement au manoir de son directeur le soir du 1er mai 1915. La même nuit, sa femme, la doctorante chimiste Clara Immerwahr Haber, s'est suicidée en se tirant une balle avec le fusil de son mari. pistolet militaire. Les historiens ne sont pas d'accord sur la question de savoir si son suicide a été provoqué par la consternation suscitée par l'implication de son mari dans les armes chimiques de masse.

L'héritage de Haber est celui d'un "scientifique qui a été salué comme un bienfaiteur de l'humanité et, en même temps, accusé d'être un criminel de guerre", a écrit Szöllösi-Janze. "Ses travaux scientifiques ont transformé à la fois la production alimentaire et la guerre."

Un siècle après l'invention de Haber-Bosch, une trentaine d'usines chimiques aux États-Unis produisent de l'ammoniac pour l'industrie des engrais. Ce nombre pourrait augmenter d'un autre tiers au cours des prochaines années, selon l'Environmental Integrity Project (EIP), basé sur neuf propositions de construction de nouvelles usines d'engrais à l'ammoniac et trois autres agrandissements d'usines.

Dans son rapport The Fertilizer Boom, EIP soutient que l'expansion présente des risques pour la sécurité publique et l'environnement. Au cours du siècle dernier, 641 personnes aux États-Unis et 1 237 dans le monde ont été tuées dans des explosions majeures d'engrais azotés, selon l'EIP. L'organisation à but non lucratif fait pression pour que l'Environmental Protection Agency ajoute le nitrate d'ammonium à la liste de plus de 140 produits chimiques dangereux qui obligent les fabricants à planifier les catastrophes et à partager des informations avec les planificateurs d'urgence locaux.

L'industrie présente également des risques pour l'environnement en raison de la pollution de l'eau et de l'air et des émissions importantes de gaz à effet de serre. Des chercheurs publiant dans la revue Scientific Reports ont découvert qu'à l'échelle mondiale, la production et l'utilisation d'azote synthétique représentent plus de 2 % des émissions de gaz à effet de serre, soit plus que pour l'aviation mondiale de passagers et commerciale combinée.

L'engrais azoté est également une grande partie du ruissellement des nutriments impliqué dans les épidémies d'algues toxiques à travers le pays et dans la "zone morte" du golfe du Mexique. L'azote est également rejeté directement par les usines de fabrication d'engrais. Matt Rota, directeur principal des politiques pour Healthy Gulf, a expliqué : "Si vous fabriquez des engrais azotés, vous allez également rejeter de l'azote dans l'eau, qui n'est pas conservé dans le processus".

Healthy Gulf et l'Environmental Integrity Project font partie des 13 groupes environnementaux qui ont déposé une plainte fédérale ce printemps contre l'EPA pour ce qu'ils ont décrit comme une réglementation obsolète sur la technologie de contrôle de la pollution. Selon Healthy Gulf, 21 usines américaines d'engrais azotés ont rejeté 7,7 millions de livres d'azote dans les cours d'eau en 2021.

Dans l'ensemble, les agriculteurs américains appliquent environ 21 millions de tonnes métriques d'engrais par an, dont plus de la moitié à base d'azote. Environ la moitié des nutriments ne sont pas absorbés par les cultures mais sont plutôt perdus par le ruissellement, se retrouvant dans les ruisseaux, les lacs et les rivières. Rota a déclaré que l'azote des cultures de maïs et de soja dans le Midwest transporté par le fleuve Mississippi vers le golfe est un problème particulier pour la zone morte.

CF Industries n'a pas répondu aux questions liées à cette histoire. La société a annoncé qu'elle poursuivait deux nouveaux types de projets de production d'ammoniac qui permettront à CF de réduire les émissions de carbone de 25 % d'ici 2030 et d'atteindre des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050.

L'ammoniac vert signifie l'ammoniac produit avec de l'énergie renouvelable. CF ajoute un système d'électrolyse à Donaldsonville qui permettra à l'usine de produire 20 000 tonnes d'ammoniac vert par an, soit seulement 0,25 % de leur production annuelle.

L'ammoniac bleu signifie que l'ammoniac est produit de manière conventionnelle, mais que le CO2 émis au cours du processus est capturé et stocké. L'automne dernier, CF a annoncé son intention d'investir près de 2 milliards de dollars dans un projet de capture du carbone à Donaldsonville qui permettra à l'usine de produire 1,7 million de tonnes d'ammoniac bleu par an.

Le gouverneur de la Louisiane, John Bel Edwards, a salué l'investissement pour aider à faire de la Louisiane un leader dans la transition vers l'énergie propre. Le président et chef de la direction de CF Industries, Tony Will, a déclaré dans un communiqué de presse avec Edwards que la société sera la première sur le marché avec un volume important d'ammoniac bleu. "Cela nous permettra de fournir cette source d'énergie à faible émission de carbone aux industries difficiles à réduire qui la considèrent de plus en plus comme essentielle à leurs propres objectifs de décarbonisation", a déclaré Will.

Mais de nombreux critiques affirment que le captage et le stockage du carbone sont des technologies risquées, imparfaites et non éprouvées. Des projets tels que les FC bénéficieront d'importantes incitations financières en vertu de la loi sur la réduction de l'inflation de l'année dernière. "Cela ressemble plus à la même chose", a déclaré Monique Harden, directrice du droit et des politiques et responsable du programme d'engagement communautaire au Deep South Center for Environmental Justice. Le plan de CF consisterait à capturer les émissions à l'usine de Donaldsonville, à les transporter sur environ 100 miles et à les stocker sous terre sur une propriété appartenant à ExxonMobil.

Harden, qui a travaillé pendant 20 ans en tant qu'avocat pour aider les communautés à prédominance afro-américaine à remporter des victoires en matière de justice environnementale, a déclaré que les projets de capture et de stockage du carbone pourraient présenter des dangers pour les citoyens qui sont déjà confrontés à des risques pour la santé et la sécurité vivant à proximité d'usines industrielles, ainsi que ceux du chemin des pipelines et à proximité des installations de stockage souterraines.

Rota a déclaré qu'il était révélateur que CF Industries investisse beaucoup plus dans l'ammoniac bleu qui émet encore du carbone. "Je pense que cela vous montre deux choses", a-t-il déclaré. "Ils sont parfaitement capables de faire de l'ammoniac vert, et la Louisiane a continué à être considérée comme un état pétrochimique et un état où cela n'a pas d'importance."

Johnson, l'auteur de "Making Ammonia", a déclaré qu'"à l'époque de Haber, ils ne se souciaient pas du dioxyde de carbone, mais nous le faisons maintenant". Il est donc passionnant de voir une nouvelle technologie qui utilise l'électrolyse pour rendre l'ammoniac "vert".

"Nos choix en tant qu'humains quant à savoir si nous voulons cette technologie et si nous voulons la financer deviennent alors très centraux dans le processus de mise en œuvre", a déclaré Johnson.

L'histoire de Haber "illustre comment le progrès scientifique s'étend sur des générations et s'adapte aux nouvelles circonstances", a-t-il écrit dans Making Ammonia. "Nous pouvons apprendre de ces événements et appliquer les leçons."

Cette histoire fait partie de The Price of Plenty, un projet spécial d'enquête sur les engrais du Collège de journalisme et de communication de l'Université de Floride et de l'École de journalisme de l'Université du Missouri, soutenu par l'initiative nationale de reportage Connected Coastlines du Pulitzer Center.