Production d’hydrogène à partir d’eaux usées via la récupération de l’ammoniac gazeux

Transformer l’eau sale en énergie propre

Chaque jour, villes, fermes et usines évacuent des eaux usées riches en azote. Aujourd’hui, cet azote est le plus souvent traité comme un polluant et perdu dans l’air, alors qu’il constitue une ressource vaste et sous‑estimée. Cette étude explore une idée audacieuse : au lieu de jeter cet azote, on peut le capturer sous forme d’ammoniac et le convertir en hydrogène, un combustible propre qui ne produit que de l’eau lorsqu’il est utilisé. En reliant des technologies de traitement avancées, les auteurs montrent que les eaux usées pourraient fournir une fraction importante de l’hydrogène mondial sans ajouter de pollution carbonée.

Des déchets problématiques à l’ammoniac utile

Les stations d’épuration modernes sont conçues pour protéger rivières et lacs de l’excès de nutriments en convertissant l’azote réactif en azote gazeux inoffensif. Cette approche fonctionne pour le contrôle de la pollution, mais elle gaspille l’énergie et la valeur fertilisante enfermées dans l’azote. L’article examine trois techniques existantes capables de faire mieux : récupérer l’azote de flux d’effluents réels sous une forme réutilisable. Le stripping gazeux utilise la chaleur et un pH élevé pour extraire l’ammonium dissous sous forme d’ammoniac gazeux, capturé ensuite dans un liquide acide. La dialyse membranaire fait passer l’ammoniac à travers des barrières spéciales perméables aux gaz tout en retenant la plupart des autres impuretés. L’électrodialyse s’appuie sur un champ électrique et des membranes selectives aux ions pour concentrer l’ammonium dans un flux concentré. En réanalysant de nombreuses expériences publiées sur des eaux usées réelles avec un étalon commun, les auteurs comparent la quantité d’ammoniac que chaque voie peut réellement récupérer par litre d’eaux usées.

Quelles voies de récupération fonctionnent le mieux

Lorsque toutes les données sont normalisées, le stripping gazeux apparaît comme le plus efficace pour extraire l’ammonium des eaux usées typiques, récupérant souvent plus de 90 % de l’azote. Toutefois, ses performances chutent fortement lorsque les niveaux d’azote deviennent très élevés, car des produits chimiques supplémentaires sont nécessaires et d’autres sels dissous interfèrent. L’électrodialyse donne de bonnes performances mais peut pâtir de la concurrence d’autres ions chargés et de l’encrassement minéral des membranes. La dialyse membranaire montre une force différente : elle reste hautement efficace même lorsque les concentrations d’azote sont extrêmes, grâce au transport sélectif de l’ammoniac gazeux à travers des membranes hydrophobes. Dans les cas les plus exigeants, les systèmes membranaires ont obtenu les plus grandes quantités totales d’ammoniac récupéré par litre d’eaux usées, ce qui les rend particulièrement attractifs pour le lisier d’élevage, les lixiviats de décharge et les effluents industriels concentrés.

Fendre l’ammoniac pour obtenir de l’hydrogène

Capturer l’ammoniac n’est que la moitié de l’histoire. Pour le transformer en combustible utilisable, l’ammoniac doit être décomposé en hydrogène et en azote sur un catalyseur solide à haute température. Les auteurs passent en revue les recherches récentes sur les catalyseurs et identifient trois familles principales : celles à base du métal précieux ruthénium, celles à base de métaux moins coûteux comme le nickel, et les alliages bimétalliques qui combinent différents métaux. Les catalyseurs au ruthénium se distinguent en atteignant une conversion quasi complète de l’ammoniac à des températures plus basses, autour de 500 °C, ce qui réduit la consommation d’énergie et prolonge la durée de vie du catalyseur. Les catalyseurs au nickel et les alliages peuvent aussi bien fonctionner mais nécessitent généralement des températures plus élevées, augmentant la consommation de combustible. Il est important de noter que l’ammoniac récupéré via les voies électrochimiques est essentiellement exempt de soufre, de chlore et de métaux lourds, ce qui signifie qu’il se comporte comme un ammoniac commercial de haute pureté et est peu susceptible d’empoisonner ces catalyseurs.

Combien d’hydrogène les eaux usées pourraient‑elles fournir ?

En reliant les meilleures étapes de récupération et de décomposition en une chaîne en trois étapes — capture de l’azote sous forme d’ammonium, conversion électrochimique en ammoniac gazeux, et craquage catalytique en hydrogène — l’étude estime la quantité d’hydrogène qui pourrait, en théorie, être générée à partir des flux mondiaux d’eaux usées. Selon le type d’eaux usées et la combinaison technologique, chaque litre peut produire d’environ un dixième de gramme à plus d’un gramme d’hydrogène. Mis à l’échelle des flux municipaux, domestiques, d’élevage, de transformation alimentaire et de certains effluents industriels, cela représente entre 2,5 et 30,6 millions de tonnes d’hydrogène par an. Cela équivaut à environ 44 % de la production mondiale actuelle d’hydrogène, réalisé sans combustion de combustibles fossiles et tout en améliorant le traitement des eaux usées.

Évaluer coûts et bénéfices environnementaux

Les chercheurs comparent également cette nouvelle filière au procédé bien établi Haber–Bosch, qui produit de l’ammoniac synthétique à partir de gaz naturel et est responsable de la majeure partie des engrais mondiaux. En termes purement énergétiques, récupérer de l’ammoniac à partir d’eaux usées puis le craquer en hydrogène coûte encore un peu plus que l’ammoniac « gris » conventionnel, mais c’est déjà comparable à l’ammoniac « bleu », qui capture une partie de son dioxyde de carbone, et moins cher que l’ammoniac « vert » produit uniquement à partir d’électricité renouvelable. Lorsque les émissions de gaz à effet de serre sont prises en compte, les voies basées sur les eaux usées s’améliorent encore. Avec le mix électrique actuel, elles peuvent battre l’ammoniac gris, et alimentées par des sources à faible carbone comme le solaire, les routes membranaires et l’électrodialyse peuvent même surpasser l’ammoniac vert en impact climatique par kilogramme de produit.

Ce que cela signifie pour un avenir à base d’hydrogène

Pris dans leur ensemble, les travaux montrent que l’azote des eaux usées n’est pas seulement un problème d’élimination mais une ressource stratégique. En choisissant le bon procédé de récupération pour chaque type de flux — souvent la dialyse membranaire pour les liquides très concentrés — et en l’associant à des réacteurs efficaces à base de ruthénium, il devient possible de produire de grandes quantités d’hydrogène sans carbone tout en récupérant de l’engrais. Certains obstacles subsistent, notamment la mise à l’échelle de l’électrodialyse et des étapes électrochimiques, la gestion des impuretés à l’échelle industrielle, et la réduction des coûts et des enjeux de rareté liés au ruthénium. Même ainsi, l’analyse suggère qu’avec une ingénierie réfléchie et une alimentation renouvelable, les stations d’épuration de demain pourraient faire office de raffineries d’énergie propre, transformant ce que nous rejetons en une part significative de l’approvisionnement mondial en hydrogène.

Citation: Yang, H., Lim, S.Y., Lee, G. et al. Hydrogen production from wastewater via ammonia gas recovery. npj Clean Water 9, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00558-7

Mots-clés: hydrogène eaux usées, récupération d’ammoniac, dialyse membranaire, électrodialyse, catalyseurs au ruthénium