Le procédé Haber-Bosch : l’avènement de la pétrochimie

Epandage d’engrais au début du XXème siècle (© BASF)

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Aujourd’hui, les terres agricoles sont fertilisées via des engrais, l’objectif étant d’apporter en quantité suffisante les éléments nutritifs nécessaires à la croissance des cultures. Pendant des siècles, ces engrais ont été organiques : fumier, végétaux, déjections humaines… Le cycle des nutriments était sans cesse bouclé.

Depuis la modernisation agricole, de nouveaux engrais sont massivement utilisés dans les campagnes françaises : les engrais inorganiques, dits de synthèse. Ces engrais ont permis un bond au niveau des rendements des cultures, notamment en rendant une grande quantité d’azote disponible pour les plantes. La synthèse de l’azote est le fruit d’un procédé pensé par l’industrie pétrochimique qui marquera l’histoire de l’agriculture à tout jamais : le procédé Haber-Bosch.

Une demande d’azote bien supérieure à l’offre disponible

Ce n’est qu’à la fin du XVIII siècle que l’azote est nommé par Lavoisier (1743-1794), le père de la chimie moderne, en 1775. L’atome a été isolé par Rutherford (1749-1819) 3 ans plus tôt. Les chimistes se passionnent alors pour cet atome, présent à hauteur de 79 % dans notre atmosphère. Les travaux de Juntus von Liebig, considéré comme le père de l’agriculture industrielle, vont mettre en évidence l’omniprésence de l’azote dans tous les êtres vivants, et donc son importance pour l’agriculture. Dès lors, on cherche à apporter de manière plus importante des sources azotées aux cultures, afin de subvenir aux besoins d’une population mondiale croissante.

Ainsi, l’Europe se tourne vers le guano péruvien et le salpêtre chilien, utilisés en tant qu’engrais et permettant à ces pays d’augmenter significativement leur niveau de vie. Par ailleurs, les découvertes de ressources azotées dans ces pays conduisent la Bolivie, le Pérou et le Chili dans une guerre, la « Guerre du Nitrate », dont l’objectif est la revendication de territoires synonymes de richesse. Mais les gouvernements européens constatent rapidement l’épuisement de ces ressources, et il devient nécessaire de trouver un procédé fiable afin d’approvisionner les champs en azote. L’Allemagne s’engage alors pleinement à la fin du XIXe siècle dans des recherches visant à fixer l’azote de l’air, au vu de sa forte dépendance aux importations d’azote organique.

Une mine de Guano (Pierre Andre Leclerq)
Une mine de Guano (Pierre Andre Leclerq).

L’azote est fixée par Fritz Haber

Fritz Haber est né le 9 décembre 1868 à Breslau, en Royaume de Prusse. Diplômé notamment de l’école technique de Charlottenburg, il obtint un poste à l’Université de Karlsruhe, où il va travailler sur un procédé de synthèse de l’ammoniac à partir de l’azote de l’air. Lors de ses travaux, le chimiste se penche notamment sur la formule lui permettant de développer son procédé :

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) + ΔH.

Publiée par sa main en 1905, dans son livre « La thermodynamique des réactions de gaz technique », cette formule initie le principe de la synthèse de l’ammoniac, à partir de dihydrogène et de diazote (présent naturellement dans l’air). Si ses premières tentatives ne sont pas concluantes, Fritz Haber va profiter des travaux de Walther Nernst, Gabriel van Oordt ou encore de Robert Le Rossignol pour perfectionner sa méthode, lui permettant notamment d’obtenir le soutien de BASF en 1908. Le BASF, aujourd’hui plus grand groupe chimique du monde, est une entreprise fondée en 1965 par Frédéric Engelhorn à Mannheim, en Allemagne.

Au fur et à mesure de ses essais, Fritz Haber conclut que la synthèse de l’ammoniac est régie par différentes règles afin d’être possible : fonctionnement à haute pression et à haute température ; utilisation de catalyseurs ; créer un circuit semi-fermé dans lequel les molécules de N2 et de H2 repassent plusieurs fois. Le 23 mars 1909, Fritz Haber annonce à BASF qu’il a réussi à produire durant 5 heures et de manière continue de l’ammoniac liquide. Pourtant, le directeur de recherche de BASF est sceptique quant à la capacité de l’entreprise d’industrialiser la réaction, notamment du fait du prix et de la rareté du catalyseur utilisé, l’osmium. Il faut alors l’intervention d’un autre chimiste pour convaincre BASF d’industrialiser le processus : Carl Bosch.

Fritz Haber fixe l'azote
Fritz Haber
Carl Bosch
Carl Bosch

Carl Bosch confirme le procédé et l’industrialise

Carl Bosch est né en 1874 à Cologne en Allemagne. Ingénieur et chimiste diplômé de l’école technique de Charlottenburg, il est recruté par BASF en 1899 et travaille rapidement sur la question de l’azote. Lorsque le directeur de recherche de BASF s’oppose au développement du procédé d’Haber, Carl Bosch émet l’avis suivant : 

Je pense que cela peut marcher. Je sais exactement ce que l’industrie de l’acier peut faire. Nous devrions prendre le risque.

Mais l’industrialisation du processus demande de lever plusieurs freins, notamment d’obtenir du dihydrogène et du diazote gazeux à bas coût, ou encore de trouver un catalyseur stable et peu coûteux. Pour cela, Bosch rejeta le catalyseur de Fritz, l’osmium, et se tourna vers un catalyseur à base de fer.

Finalement, ce fut le 7 mai 1911 que fut entamée la construction du premier site de synthèse industrielle d’ammoniac. L’usine, située à Oppau en Allemagne, débuta sa production le 9 septembre 1913. Rapidement, plus de 40 tonnes par jour sortent du site de production de BASF. En 4 ans, Carl Bosch avait réussi à passer d’une réaction chimique se produisant au sein d’un laboratoire de Karlsruhe à un processus industriel allant révolutionner la société. Aujourd’hui encore, l’essentiel des engrais azotés sont fabriqués grâce au procédé Haber-Bosch.

Fritz Haber et Carl Bosch des destins croisés

L’Histoire retient les grands noms, et nul doute que Fritz Haber et Carl Bosch ont joué un rôle primordial dans la transformation de nos sociétés et l’entrée de l’agriculture dans l’ère industrielle. Bien entendu, des centaines, voire des milliers de personnes ont contribué au succès de la synthèse de l’ammoniac.

Fritz Haber au service de l’Allemagne

Après sa découverte, Fritz Haber devient riche et célèbre. Il reçoit notamment pour ses travaux un prix Nobel de chimie (1918), la Médaille Liebig (1914) ou encore la médaille Harnack (1926). Pourtant, Fritz Haber est un personnage controversé, et les américains, les français ou encore les britanniques décidèrent de ne pas se rendre à son acceptation de prix Nobel, en raison de ses activités et prises de position durant la première guerre mondiale.

En effet, Fritz Haber est un ardent défenseur de la guerre et est notamment signataire du Manifeste des 93, soutenant la politique guerrière du Reich. Mais au-delà de ses idées, Haber travaille activement à la mise au point d’armes chimiques comme des gaz de combat, et supervise notamment la première offensive allemande à l’aide de chlore lors de la tristement célèbre bataille d’Ypres. Cette implication conduisit notamment sa première femme au suicide, ne pouvant supporter les actes de son mari. Par ailleurs, les travaux de Haber furent mobilisés dans le processus de création du Zyklon B. D’origine juive, le chimiste fut contraint à l’exil dès 1933 et mourut sur le chemin le menant à Israël, où un poste de scientifique l’attendait.

Carl Bosch l’homme d’affaire

Carl Bosch de son côté est nommé à un poste de direction de BASF, et profite de sa renommée pour créer avec d’autres industriels allemands de renom le complexe IG Farben en 1925. Il en dirigera le directoire de 1925 à 1940, date de sa mort. IG Farben est une fusion acquisition de 8 groupes industriels allemands et représentera de sa création à la fin de la seconde guerre mondiale un empire industriel majeur. Carl Bosch recevra de nombreux honneurs, et notamment la médaille Liebig en 1919 et le prix Nobel de Chimie en 1931.

Vers une agriculture industrialisée grâce au procédé Haber-Bosch

Plus que toute autre invention du XXe siècle, le procédé Haber-Bosch marque un tournant pour nos sociétés. En capturant l’azote de l’air, Fritz Haber et Carl Bosch ont ainsi crée les conditions favorables à l’émergence d’une agro-industrie, où les groupes pétrochimiques sont désormais parties prenantes du système alimentaire mondial. Au-delà de la prouesse technique, certains auteurs considèrent que cette découverte permet aujourd’hui de nourrir plus de 3 milliards de personnes et contribue donc à la sécurité alimentaire de nombreux pays. Cependant, les engrais azotés ont de nombreuses incidences négatives. Au-delà de l’aspect dangereux des engrais azotés (Explosion de l’usine AZF à Toulouse en 2001 et du Port de Beyrouth en 2020), nous surconsommons ces engrais. Ainsi, une tribune publiée dans Le Monde le 9 avril 2021 permet de prendre pleinement la mesure de ces effets, mettant en garde : « Notre surconsommation d’engrais azotés de synthèse est un désastre écologique, social et économique ».

Quelques liens et sources utiles

Vaclav Smil, Enriching the Earth : Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production, MIT Press, 2001

« Notre surconsommation d’engrais azotés de synthèse est un désastre écologique, social et économique », Le Monde, avril 2021

Thomas Hager, The Alchemy of Air : A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler, New York, Harmony Books, 2008

Carl Bosch, The Development of the Chemical High Pressure Method During the Establishment of the New Ammonia Industry, Oslo, Suède, Fondation Nobel, 1931

Maurice M.

Ingénieur agronome de formation. Après avoir été journaliste et conseiller en agriculture, il débute en 2021 un doctorat en agronomie, questionnant le modèle agricole contemporain.