Le procédé Haber Bosch

Partie 4. Cycle de l’azote

Le procédé Haber Bosch est également impliqué dans la perturbation du cycle de l’azote. Ainsi, avant l'ère industrielle, la création d'azote réactif, noté \(N_r\) (ce terme désigne toute espèce azotée autre que le diazote \(N_2\) à partir de diazote atmosphérique non réactif se faisait principalement par deux processus naturels :

  • la foudre / les éclairs (processus photochimique) 
  • la fixation biologique de l'azote (BNF : Biological Nitrogen Fixation). 

La fixation biologique de l’azote met en jeu un ensemble de réactions qui convertissent le diazote atmosphérique \(N_2\) en ammoniac par médiation microbienne. Ce cycle naturel de l’azote est présenté dans la Figure 2.

Figure 3 : Cycle naturel de l’azote

Figure 3 : Cycle naturel de l’azote

Source : Johann Dréo (User:Nojhan), traduction de Joanjoc d'après Image:Cycle azote fr.svg. derivative work: Burkhard (talk) Nitrogen_Cycle.jpg: Environmental Protection Agency derivative work: Raeky (talk) derivative work: Hattiel - This file was derived from: Nitrogen Cycle.svg, Wikimedia, CC BY-SA 3.0

1.Identifiez les différentes formes d’azote réactif \(N_r\) mises en jeu dans ce cycle et montrez que les processus de passage de l’une à l’autre sont de nature rédox.

Au cours des dernières décennies, la production d’azote réactif \(N_r\) par l'homme a été bien supérieure à la production naturelle. Le Tableau 5, issu du 5ème rapport du GIEC, présente les quantités mondiales (en \(TgN \cdot an^{-1}\)) sur l’année 2005, de diazote \(N_2\) converti en azote réactif \(N_r\), en distinguant les sources de conversion naturelles et anthropiques.

Il existe trois principales sources anthropiques d’azote réactif \(N_r\):

  • Le procédé industriel Haber-Bosch qui permet de fabriquer du \(NH_3\) à partir de \(N_2\),utilisé ensuite pour la production d’engrais azotés et comme matière première pour certaines industries ; (pour mémoire, la production d’ammoniac en 2005 par le procédé Haber-Bosch était de l’ordre de 115 Mt)
  • La culture de légumineuses (soja, lentilles, luzerne etc. ) qui ne nécessite pas l’apport d’engrais et qui fertilise naturellement les sols en produisant du \(N_r\);
  • La combustion des combustibles fossiles, qui convertit le \(N_2\) atmosphérique et l'azote des combustibles fossiles en oxydes d'azote ( N0x) émis dans l'atmosphère et redéposés en surface.

Tab 5

Tableau 5 : Quantités mondiales (en \(TgN \cdot an^{-1}\)) ) sur l’année 2005, de diazote \(N_2\) converti en azote réactif \(N_r\).

Source : Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In : Climate Change 2013: The Physical Science Basis.
Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change)

2.Explicitez l’unité \(TgN.an^{-1}\) et vérifiez la valeur de \(TgN.an^{-1}\) que l’on trouve dans le Tableau 5 pour le procédé Haber-Bosch pour la partie « fertilisant ».

3.Complétez, à partir des données du Tableau 5, le schéma de la Figure 5.

4.Pour l’année 2005 l’excédent de \(N_r\) produit du fait des activités humaines est de 210 \(TgN.an^{-1}\). Discutez la contribution du procédé Haber-Bosch à cette production.

En développant le concept de limites planétaires, Rockström et al. (2009) soulignent la criticité des impacts de l’excès d’azote réactif injecté dans l’environnement par les activités humaines.
Ils écrivent :

“Une grande partie de ce nouvel azote réactif se retrouve dans l’environnement,
polluant les cours d’eau et les zones côtières, s’accumulant dans les écosystèmes
et ajoutant un certain nombre de composés gazeux dans l’atmosphère.
Il dégrade lentement la résilience d’importants systèmes terrestres.”

Pour illustrer ces impacts multiples, Galloway et al. ont introduit le concept de cascade de l’azote présenté ci-dessous :

fig 4

Figure 4 : Cascade de l’azote

Source : Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In: Climate Change 2013 : The Physical Science Basis.
Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change)
Adapted from Figure 6.4 panel (a) in Ciais, P., C. Sabine, G. Bala, L. Bopp, V. Brovkin, J. Canadell, A. Chhabra, R. DeFries, J. Galloway, M. Heimann, C. Jones, C. Le Quéré, R.B. Myneni, S. Piao and P. Thornton, 2013: Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In: Cli[1]mate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

5.Décrivez une chaine de transformation possible pour un atome d’azote converti en ammoniac par le procédé Haber Bosch pour produire de l’engrais. Quels sont les impacts associés à cette chaine de transformation ? Quelle(s) relation(s) avec d’autres limites planétaires pouvez-vous identifier ?

fig 5

Figure 5 : Schéma à compléter.

Source : Box 6.2, Figure 2 in Ciais, P., C. Sabine, G. Bala, L. Bopp, V. Brovkin, J. Canadell, A. Chhabra, R. DeFries, J. Galloway, M. Heimann, C. Jones, C. Le Quéré, R.B. Myneni, S. Piao and P. Thornton, 2013: Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In: Cli[1]mate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.