Thomas Morzadec
Nicolas Coustaury
Avit Guirimand
Quels sont les obstacles au
developpement de la pile à hydrogène ?
Thomas Morzadec
Nicolas Coustaury
Avit Guirimand
Quels sont les obstacles au
developpement de la pile à hydrogène ?
L’hydrogène est présent partout et en quantité énorme sur la Terre. Seulement, il est rarement présent sous forme de gaz. Son extraction nécessite donc beaucoup d’énergie car elle s’applique sur des molécules stables comme le méthane et l’eau.
Nous exposons ici les principaux modes de production.
Le vaporeformage
L'Oxydation partielle
Le reformage auto thermique
La méthanation
Le tamis
Le vaporeformage ou reformage à la vapeur d'eau consiste à transformer des hydrocarbures et produit issu d'hydrocarbures (CH4, CxHy…….) en gaz de synthèse (mélange de dihydrogène et impuretés) par craquage de la molécule à la vapeur d'eau sur un catalyseur, le nickel. Cette réaction ayant lieu à des températures de l'ordre de 900°C et pression entre 20 et 30 bars.
Le méthane (CH4) est l’hydrocarbure le plus utilisé car son rapport H/C= 4 est le plus important de tous les hydrocarbures.
C'est une réaction endothermique(il faut fournir de l'énergie)
CH4+H2O=3H2+CO
Dans les bonnes proportions H2/CO=3
CO+H2 O=CO2 +H2
Cette méthode est déjà couramment pratiquée pour l’industrie
Tableau 1 - Données économiques d’une unité de vaporeformage
L’oxydation partielle permet de produire du dihydrogène en oxydant un hydrocarbure par l’oxygène. Elle se pratique sur beaucoup plus de produits. La réaction se produit à des températures de l'ordre de 1500°C et pression comprise entre 20 et 90 bars( selon l'hydrocarbure).Elle est exothermique et conduit à l'obtention d'un gaz de synthèse (résidu gazeux et hydrogène)
CxHy +(x/2)O2=xCO+(y/2)H2
La réaction est exothermique.
xCO+xH2O=xCO2+xH2
CxHy+(x/2)O2+xH2O=xCO2+(y/2+x)H2
consiste à combiner oxydation partielle et vaporeformage pour équilibrer le dégagement d'énergie calorifique de l’oxydation et la consommation d'énergie du vaporeformage.
Cette combinaison semble la plus intéressante mais nécessite la mise au point des dosages
Dans ces différentes méthodes, l'hydrogène est mélangé à plusieurs impuretés dans le gaz de synthèse. Il doit donc être purifié soit sur tamis moléculaire soit par methanation
Elle se déroule en 2 étapes : la décarbonatation puis méthanation
La première étape consiste à supprimer la majeure partie du CO2 grâce au solvant au amine et carbonate de potassium
La deuxième, le monoxyde de carbone.
Le tamis permet d'absorber les impuretés directement sur le gaz. Ils ont l’avantage de libérer les co2 à une pression plus élevée que les solvants chimiques
La production de dihydrogène à partir de dérivés du pétrole est la moins chère à ce jour mais elle est dépendante du pétrole et pause le problème majeur du dioxyde de carbone. Cependant l’émission du polluant étant localisée, celui-ci peut être récupérer puis séquestrer.
- La séquestration du CO2 peut se faire dans la profondeur des océans, dans des nappes de pétrole à sec, avec des interrogations sur la stabilité du piégeage ou bien en stockage souterrain:
-l’injection dans des gisements d’hydrocarbures plus ou moins épuisés.
-l’injection dans des veines de charbon.
On espère alors une récupération accrue d’hydrocarbures, grâce à l’effet bénéfique de la dissolution du CO2 dans l’huile.
Ce procédé de production est un étape transitoire vers une société fonctionnant à l’hydrogène.
C'est un procédé extrêmement coûteux. L'eau, traversée par un courant électrique, se décompose en dioxygène et dihydrogène
2H2O=O2+2H2
Une cellule d'électrolyse est composée de deux électrodes (anodes et cathodes) reliées à un générateur, ainsi qu’un électrolyte assurant la circulation des ions
Cet électrolyte peut être :
- soit une solution aqueuse acide ou basique,
- soit une membrane polymère échangeuse de protons(H+)
- soit une membrane céramique conductrice d’ions O2-.
L'eau doit être la plus pure possible.
Deux électrolyse différentes : 1 l ‘électrolyte transporte des protons 2 des ions oxygène
Cette production n'est rentable que pour une production d'électricité bon marché.
Il faut en effet 286 kjoul pour dissocier une molle d’eau ( 18g).
La consommation électrique des électrolyseurs industriels (auxiliaires compris) est
généralement de 4 à 6 kWh/Nm3, et il convient d’éliminer en permanence la chaleur dégagée liée aux irréversibilités [4].
L’alimentation minimale en eau d’un électrolyseur est de 0.8 L/Nm3 d’hydrogène. En pratique, la valeur réelle est proche de 1 L/Nm
Dans tous les cas, il faut, pour produire l’hydrogène, une énergie supérieure à celle que le gaz ne pourra produire. L’électrolyse de l’eau est aujourd’hui le mode de production le plus cher mais il ne pollue pas. L’énergie électrique qu’utilise la réaction est en effet particulièrement onéreuse.
L’électrolyse haute température consiste à dissocier la molécule d’eau à des températures approchant les 1000°C en combinant énergie calorique et électrique. Elle présente plusieurs avantages :
- l’énergie totale à fournir est moins importante car la cinétique de réaction est plus importante
-ce procédé est plus économique car l’énergie sous forme de chaleur est nettement moins chère à produire que l’électricité.
La chaleur et l’électricité pourraient être fournis par les nouveaux réacteurs nucléaires couplés alors aux électrolyseurs
De la vapeur d’eau est fournie au niveau de la cathode Les molécules sont dissociées
H2O+2e-=H2+O2-
Ensuite les ionO2- sont attirés vers l’anodes à travers l’électrolyte grâce à une tension de 1.3V puis il se recombine en O2
2O2- = O2+4e-
Mais plusieurs difficultés se posent: notamment la tenue au vieillissement des matériaux métalliques, le maintien de l’étanchéité à l’hydrogène est difficile dans de telles conditions
Electrolyseur couplé à un réacteur nucléaire
Des cellules photoelectrochimiques exposées au rayons du soleil peuvent décomposer l’eau en H2 et O2. Elles fonctionnent sur le principe de l’électrolyse de l’eau en utilisant des électrodes photo actives.
Le développement des matériaux et des aspects scientifiques n’est aujourd’hui qu’au stade de la recherche fondamentale
Quatre étapes s’enchaînent : d’abord une charge électrique est générée à la surface de la photoanode qui entraîne la deuxième étape, l’oxydation de l’eau au niveau de la photoanode donnant le dioxygene et des H+
Ensuite les H+ sont transportés via la solution aqueuse pendant que les électrons produits par l’oxydation de l’eau sont portés à la cathode par un circuit électrique. Les H+ sont alors réduits en H2
2H2O= 4H+ +O2+4e-
4H+ +4e-=2H2
Cette technique utilisant une énergie gratuite, sa rentabilité dépend essentiellement du prix des différents composants utilisés
Plusieurs cycles sont en études. Nous ne présentons ici que les principaux
La décomposition à haute température de l’acide sulfurique produit de l’O2 etSO2
H2SO4(500°C)=H2O+SO3
2SO3+(800°C)=2SO2+O2
L’acide iodhydrique produit de l’hydrogène et du diode
2HI=H2+I2 (300°C)
Le SO2 et I2 réagissent ensemble à basse température(25°c) en présence d’eau pour reformer les deux acides
SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI
La principale difficulté est de séparer le I2 le SO2 de l’eau après la réaction
SO+2H2O=H2SO4+H2 a 100°C
Les cycles thermochimiques permettent d’utiliser moins d’énergie. Par contre, les procédés d’extraction et les acides sont un investissement supplémentaire.
Lors de la photosynthèse la chlorophylle prélève des électrons dans l’eau pour réduire le CO2. Par la reproduction d’un tel mécanisme, on pourrait produire de l’hydrogène en réduisant des protons grâce à la photochimie.
2protons+2electrons donne H2
L’homme pourrait aussi utiliser directement des algues produisant des enzyme catalysant la production de la molécule, seulement elles sont inhibées par l’O2.Il faudrait donc des bassins compartimentés permettant d’extraire les enzymes.
Cette méthode est totalement écologique et semble accessible. Elle n’est seulement qu’au stade de la recherche fondamentale.