Processus de production

Chaque année, l’industrie européenne transforme des millions de tonnes de matières premières – de l’air comme source d’azote, et du gaz naturel, ainsi que du phosphore et du potassium à partir de minerais – en produits pratiques et sûrs constitués des trois nutriments végétaux principaux que sont l’azote, le phosphore et le potassium.

Engrais azotés

L’air que nous respirons est composé à 78 % de diazote (N2). Sous cette forme, l’azote n’est ni réactif ni soluble : les plantes ne peuvent donc l’absorber. L’ammoniaque (NH3) constitue la base de pratiquement tous les engrais azotés, quelle que soit leur forme, et est même utilisée dans une certaine mesure comme engrais synthétique commercial.

L'ammoniaque est produite en extrayant l’azote contenu dans l’air pour créer une réaction avec du dihydrogène (H₂) sous haute pression et à haute température en présence d’un catalyseur. C’est ce que l’on appelle le procédé Haber-Bosch. L’hydrogène est produit en faisant réagir le gaz naturel avec de l’eau sous haute pression et à haute température. Le gaz naturel est, en l’occurrence, également utilisé comme source d’énergie pour générer la chaleur nécessaire au processus de synthèse de l’ammoniaque. En d’autres termes, il sert à la fois de matière première pour la production d’H₂ (70 %) et de source d’énergie (30 %).

Comme l’on trouve des champs de gaz naturel un peu partout, les engrais sont produits dans la plupart des pays à partir d’ammoniaque et d’azote. L’ammoniaque est produite dans environ 68 pays, et l’urée, l’engrais azoté le plus répandu, dans quelque 56 pays.

Bien que la production d’engrais azotés ne nécessite pas un grand nombre de procédés chimiques, les produits finis existent sous de nombreuses formes. Cette variété permet de tenir compte des caractéristiques précises du site où sont répandus les engrais, de même que de facteurs tels que le type de sol et les propriétés de la culture concernée. La nutrition des plantes est ainsi optimale.

Les principaux engrais azotés sont :

• Ammoniaque — peut être utilisée en tant que telle comme engrais ou pour la composition d’autres engrais azotés tels que des produits semi-finis pour des applications industrielles ou des engrais finis. L’ammoniaque est composée à 82 % d’azote et est conservée sous forme liquide sous pression ou réfrigérée. À température ambiante, elle se transforme en gaz, et c’est également sous cette forme qu’elle est injectée dans le sol. Pour pouvoir appliquer l’ammoniaque directement, les agriculteurs doivent consentir de lourds investissements pour l’acquisition de réservoirs sous pression et d’injecteurs.
• Urée — est obtenue par réaction sous haute pression de l’ammoniaque avec le dioxyde de carbone (CO₂). La première phase de la synthèse (phase humide) permet d’obtenir un liquide d’urée chaud, à partir duquel sera fabriqué le produit fini solide (composé à 46 % d’azote), qui est la forme sous laquelle l’urée sera la plus souvent adjointe. Il est aussi possible de combiner l’urée avec une solution de nitrate d’ammonium pour fabriquer un engrais azoté liquide (solution urée-nitrate d’ammonium ou UNA).
• Nitrate d’ammonium (NA) — est fabriqué en faisant réagir de l’acide nitrique, une substance intermédiaire utilisée par l’industrie chimique et produite à partir d’ammoniaque. Au cours de la réaction, l’ammoniaque se transforme en une solution aqueuse concentrée, qui sera ensuite durcie pour obtenir des granulés. Le nitrate d’ammonium est un engrais solide (constitué à environ 34 % d’azote). Il est d’ailleurs souvent appliqué sous cette forme solide. Il est soluble dans l’eau et également présent dans divers engrais liquides.
• Nitrate d’ammonium et de calcium (NAC) — mélange de NA et de carbonate de calcium et de magnésium (avec 25 à 28 % d’azote), obtenu par le mélange de carbonate de calcium et/ou de magnésium pour former une solution de nitrate d’ammonium destinée au processus de durcissement. La teneur en calcium du NAC permet de surcroît de neutraliser le pH du sol.
• Sulfate d’ammonium (SA) — présente une teneur en azote relativement faible (21 %). Hormis de l’azote, le sulfate d’ammonium contient également du soufre (24 %). Il est utilisé lorsqu’une carence en soufre dans le sol constitue un facteur limitant pour la croissance des plantes.
• Nitrate de calcium (NC) — est obtenu par la dissolution d’un sel de calcium, comme de la roche calcaire ou du phosphate de calcium provenant de minerai de phosphate, dans de l’acide nitrique. Dans ce dernier cas, il s’agit alors d’un sous-produit de nitrophosphates. Le NC est utilisé pour remédier aux carences en calcium chez les plantes et pour améliorer le degré d’acidité du sol. Il contient 15,5 % d’azote sous forme de nitrate dans 19 % de calcium soluble dans l’eau. Le NC est donc soluble dans l’eau et parfaitement adapté aux techniques de fertilisation à base d’eau.
• Nitrate de potassium (NP) — est obtenu par la réaction de nitrate de sodium avec du chlorure de potassium. Le nitrate de potassium est utilisé comme un engrais constitué à la fois de potassium et d’azote. Il contient de l’azote à 13,5 % et du potassium soluble dans l’eau (en tant que K₂O) à 45 %. Grâce à sa solubilité dans l’eau, il est parfaitement adapté aux applications liquides.

En raison de leur affinité chimique, le NA, le NAC, le NC et le NP sont souvent repris sous le vocable « nitrates ».

Engrais phosphatés

On trouve le phosphore dans les gisements géologiques naturels de minerai de phosphate, remonté de la croûte terrestre. Le minerai de phosphate est présent principalement en Afrique du Nord, en Chine, en Inde, aux États-Unis, au Brésil, en Australie et en Russie.

La plupart des minerais de phosphate doivent suivre ce que l’on appelle un processus d’enrichissement : le minerai est lavé, broyé, trié et tamisé, jusqu’à obtenir un matériau assez pur pour être utilisé comme matière première pour de nouvelles transformations chimiques.

Les gisements de minerai de phosphate ne sont pas répartis de manière régulière sur la croûte terrestre, ce qui fait que certains pays en possèdent des réserves astronomiques par rapport à d’autres. Les activités minières sont aujourd’hui exclusivement menées dans les régions où la production est la moins chère, compte tenu de facteurs comme la qualité, la géométrie et la logistique. En 2002, la production mondiale, qui s’élevait alors à environ 143 millions de tonnes de minerai de phosphate, était assurée à 83 % par seulement 11 pays. Depuis 1999, les réserves connues de minerai de phosphate (c’est-à-dire des minerais d’un certain volume extraits, ou susceptibles d’être extraits, de façon rentable compte tenu des coûts, du prix du marché et des technologies disponibles) se sont élevées à 56 milliards de tonnes, dont 60 % se trouvaient au Maroc.

Pour rendre le phosphore du minerai de phosphate soluble et disponible pour les plantes, le minerai est digéré dans de l’acide sulfurique (H₂SO₄) ou de l’acide nitrique (HNO₃) afin de produire de l’acide phosphorique, une substance intermédiaire qui sera retravaillée pour fabriquer diverses sortes d’engrais phosphatés.

Les principaux engrais phosphatés sont :

• Phosphate monoammonique (MAP) — (avec 52 % de phosphate en tant que P₂O₅) et phosphate diammonique (DAP) (avec 46 % de phosphate en tant que P₂O₅) – sont appelés phosphates ammoniques parce que l’acide phosphorique utilisé pour fabriquer ces produits est traité avec de l’ammoniaque. Ils contiennent tous deux également de l’azote. Ces deux produits sont souvent fabriqués sous la forme de granulés. Ils sont alors utilisés comme tels ou mélangés à d’autres types d’engrais. Lorsqu’ils ne sont pas produits en tant que granulés, ils sont généralement utilisés pour fabriquer d’autres engrais liquides.
• Nitrophosphates — une partie de leur teneur en azote apparaît sous forme de nitrates (contrairement à la forme à partir d’ammoniaque pure présentes dans les MAP et les DAP). Les nitrophosphates sont obtenus par la dissolution de minerai de phosphate dans de l’acide nitrique au lieu d’acide sulfurique.
• Superphosphate ordinaire — est obtenu par traitement du minerai de phosphate avec de l’acide sulfurique et contient 16 à 20 % de phosphate en tant que P₂O₅.
• Superphosphate triple — est obtenu grâce au traitement du minerai de phosphate à l’aide d’acide phosphorique et constitue une forme hautement concentrée de minerai de phosphate (avec environ 46 % de phosphate en tant que P₂O₅). Il peut être produit sous forme de granulés, notamment.

Engrais potassiques

Les sels de potassium (potasse) sont obtenus à partir de corps naturels minéralisés formés par la condensation de l’eau de mer. Les minerais de potasse existent sous la forme de chlorures ou de sulfates dans des gisements de sel de certains bassins sédimentaires.

Le minerai n’est jamais assez pur : il doit donc être enrichi et épuré. On trouve également du potassium sous forme de saumure dans des lacs ou des gisements souterrains. Après l’extraction, le chlorure de potassium est séparé du mélange afin de produire un engrais sous forme de granulés. 

La répartition des gisements de potassium sur la croûte terrestre est encore plus irrégulière que celle des gisements de phosphate. Douze pays seulement s’adonnent à l’extraction de potassium. En 2002, près de 90 % de la production mondiale, soit environ 24 millions de tonnes à l’époque, mesurée en K₂O, avait été produite par à peine six de ces pays (Canada, Russie, Biélorussie, Allemagne, Israël et Jordanie).

Un tiers de la production mondiale provient du Canada. Les réserves connues de sels de potassium (c’est-à-dire des minerais d’un certain volume extraits, ou susceptibles d’être extraits, de façon rentable compte tenu des coûts, du prix du marché et des technologies disponibles) se chiffrent à plus de 9 milliards de tonnes, dont plus de 70 % se trouvent dans la Saskatchewan au Canada.

Les principaux engrais potassiques sont :

• Chlorure de potassium (aussi appelé muriate de potasse ou MOP) — contient 40 à 60 % de potassium.
• Sulfate de potassium (aussi appelé sulfate de potasse ou SOP) — est constitué de potassium à 50 % et est utilisé pour traiter les cultures excessivement sensibles au chlore telles que les pommes de terre, les fruits, les légumes et le tabac.
• Nitrate de potassium — source facilement absorbable de potassium et d’azote, souvent utilisée pour traiter les grandes cultures, les légumes et les fruits.

Engrais calciques

Le processus général de production des engrais calciques englobe :

• des mines de matières premières, souvent de la roche calcaire ou de la dolomite ;
• la transformation ou « calcification » des matières premières en chaux vive (CaO) ;
• éventuellement la transformation ultérieure de la chaux vive en chaux éteinte (Ca(OH)_2).

Les matières premières telles que la roche calcaire (CaCO₃) ou dolomitique (CaMg(CO₃)₂) pures sont extraites, broyées, et dans certains cas lavées, puis contrôlées avant de prendre le chemin de l’usine. Le calcaire est obtenu en brûlant les carbonates de calcium et/ou de magnésium à une température située entre 900 °C et 1 200 °C, soit une température permettant de libérer le dioxyde de carbone (CO₂) qui se transforme alors en oxyde de calcium ou chaux vive (CaCO₃ → CaO + CO₂). Parfois, dans le cas de la dolomite par exemple, la température requise peut atteindre les 1 800 °C. La chaux vive obtenue est soit utilisée telle quelle comme engrais, soit transformée plus avant en chaux éteinte selon la réaction CaO + H₂O → Ca(OH)₂.

Engrais combinés

Parallèlement aux engrais simples, il existe également des engrais qui contiennent plusieurs nutriments. Ils peuvent être classés comme suit :

• Les engrais complexes — des engrais qui sont constitués d’au moins deux nutriments primaires, obtenus par réaction chimique. Les granulés qui en résultent contiennent des nutriments selon une proportion préalablement définie. Le MAP, le DAP et les nitrophosphates en constituent de bons exemples.
• Les engrais composés — des engrais qui sont constitués d’au moins deux nutriments primaires, obtenus par un procédé chimique en mélangeant ou en combinant ces nutriments. Les granulés produits peuvent contenir plusieurs nutriments dans des proportions différentes.
• Les engrais de mélange (bulk blending) — ces engrais sont obtenus par le mélange à sec de plusieurs matières. Il n’est pas question ici de réaction chimique. Idéalement, les mélanges d’engrais doivent contenir des granulés de même taille et poids et ayant subi le même traitement de surface de façon à éviter toute séparation, qui risquerait d’altérer l’efficacité agronomique du produit.
• Engrais multinutriments — Les engrais multinutriments sont souvent identifiés par les nutriments primaires qui les composent (p. ex. NPK, NP, etc.).

D’un point de vue purement agronomique, les engrais complexes sont les plus efficaces pour obtenir une nutrition équilibrée, étant donné qu’ils contiennent une quantité préalablement définie de nutriments primaires par granulé et permettent une application régulière grâce à la qualité stable des granulés et à leur taille uniforme. En règle générale, les engrais complexes sont plus chers, mais permettaient par le passé de dégager une plus grande marge bénéficiaire que les mélanges d’engrais. Ils contribuent à de plus grandes récoltes, et de meilleure qualité, surtout s’agissant des cultures fruitières et légumières, et sont donc assortis d’une plus grande valeur ajoutée (dans le secteur des cultures dites commerciales ou cash crops telles que les fruits et légumes, par opposition aux cultures vivrières comme la culture céréalière). Les cultivateurs sont donc disposés à payer plus cher pour bénéficier de tous ces avantages.

Les mélanges d’engrais (bulk blends) sont réalisés par le mélange à sec de produits déjà fabriqués. Par conséquent, les investissements en capital et les coûts de fonctionnement liés à ce type d’engrais sont assez réduits comparativement à la production d’ammoniaque ou aux engrais minéraux. Les marges bénéficiaires sont donc généralement beaucoup plus faibles que celles générées par la production d’engrais chimiques.