Production de dihydrogène

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1 Thème 1 : eau Domaine d étude : eau et énergie Mots clés : Pile à combustible et production de dihydrogène Production de dihydrogène I. Activité documentaire (ou synthèse de documents) sur la pile à hydrogène et les différents modes de production du dihydrogène. II. Activité expérimentale : Détermination expérimentale de l énergie à fournir pour produire un kilogramme de dihydrogène par électrolyse. III. Problème : quelle masse de dihydrogène devrait être produite chaque année en France pour remplacer les voitures à essence par des voitures utilisant une pile à combustible?

2 Activité documentaire : pile à combustible et production du dihydrogène. Associé aux piles à combustible, le dihydrogène pourrait être utilisé beaucoup plus largement à l'avenir comme vecteur d'énergie pour les transports et la production d'électricité. Certains voient même dans cette évolution une révolution aussi importante que celle provoquée par l'utilisation du charbon au début de l'ère industrielle. Les pouvoirs publics, particulièrement aux Etats-Unis, placent de grands espoirs dans cet usage étendu du dihydrogène. Les premiers domaines d'application devraient être la production d'électricité et le stockage d'énergie pour appareils portables (téléphones et ordinateurs). Malheureusement, même si l hydrogène est l élément le plus abondant de l Univers, il n existe quasiment pas sur Terre sous la forme de dihydrogène. Celui-ci doit donc être produit à partir de sources fossiles ou de l eau selon plusieurs procédés dont certains sont décrits dans les documents ci-après. Ainsi, des investissements très importants seront nécessaires, pour sa production mais aussi pour sa distribution et son utilisation. DOCUMENT 1 : la pile à combustible Découverte en 1839 par Sir William Grove, la pile à combustible est basée sur la réaction d oxydoréduction ayant lieu spontanément entre deux gaz : le dioxygène et le dihydrogène. En effet, le dihydrogène est le réducteur du couple H + /H 2 et le dioxygène l oxydant du couple O 2 /H 2 O. De façon générale, le fonctionnement électrochimique d une cellule élémentaire de pile à combustible peut être schématisé selon le schéma ci-contre. Chaque cellule élémentaire est constituée de deux compartiments disjoints alimentés chacun en gaz réactifs dioxygène et dihydrogène. Les deux électrodes sont séparées par l électrolyte, solution qui laisse circuler les ions. Voir animation : DOCUMENT 2 : production de H 2 par vaporeformage : Le vaporéformage est un procédé de production du dihydrogène basé. sur la dissociation de molécules carbonées en présence de vapeur d'eau et de chaleur. C'est le procédé qui est aujourd'hui le plus utilisé au niveau industriel. On fait réagir le gaz naturel (méthane) sur de la vapeur d'eau à une température de l'ordre de 900 C et à une pression de 20 à 30 bar, en présence d'un catalyseur au nickel. Après la réaction, on obtient un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Le processus continue par la conversion du monoxyde de carbone qui réagit avec la vapeur d eau pour former du dioxyde de carbone et du dihydrogène. Au total, pour une molécule de méthane, on obtient par ce procédé quatre molécules de dihydrogène. S'en suit une dernière étape de purification qui permet de récupérer le dihydrogène plus ou moins pur selon le procédé utilisé DOCUMENT 3 : production de H 2 à partir de la biomasse : Pour produire du dihydrogène à partir de la biomasse, il faut faire une transformation thermochimique. Les produits de la biomasse sont composés principalement de carbone, d hydrogène et d oxygène. La première étape consiste donc à sécher la matière. Ensuite, on chauffe à 600 C, pour provoquer la dégradation thermique : c est la thermolyse. Après cette étape, les produits sont à 70% gazeux, sous forme de CH 4, H 2, CO, CO 2 et quelques indésirables tels les goudrons. Les 30% solides restants sont essentiellement composés de carbone. On continue donc à élever la température jusqu à 1000 C pour gazéifier le carbone. On introduit ensuite de la vapeur d eau qui, réagissant avec le carbone, produit du dihydrogène et du monoxyde de carbone. On convertit ensuite le monoxyde de carbone par une réaction avec de l eau. C + H 2 O H 2 + CO CO + H 2 O CO 2 + H 2 Bilan : C + 2H 2 O 2H 2 + CO 2 Après cette opération, on élève la température jusqu à 1100 C afin d éliminer les acides et les goudrons. Enfin, on raffine le gaz de biomasse pour récupérer le dihydrogène. La combustion de la biomasse restitue à l atmosphère une quantité de dioxyde de carbone égale à celle absorbée par la biomasse pendant sa phase de croissance (phénomène appelé «photosynthèse»). La filière des biocombustibles peut donc être considérée comme neutre en termes d émissions de gaz à effet de serre.

3 DOCUMENT 4 : production de H 2 par électrolyse de l eau : L électrolyse de l eau est un procédé qui permet de décomposer l eau en dioxygène et dihydrogène gazeux sous l action d un courant électrique. C est un moyen de production de dihydrogène très pur qui peut se faire dans de petites unités réparties sur le territoire national. Cependant, pour être rentable, ce procédé exige de pouvoir disposer de courant électrique à très faible coût car actuellement, ce mode de production coûte beaucoup plus cher que la production par reformage du gaz naturel. Il souffre de plus d un mauvais rendement global. L électrolyse à haute température, qui est une amélioration de l électrolyse classique, permettrait d obtenir de meilleurs résultats. Par ailleurs, des pistes de réflexion sont menées pour que l électricité fournie provienne de sources d énergies renouvelables telles que les panneaux photovoltaïques par exemple. DOCUMENT 5 : étude comparative des coûts de production du dihydrogène. procédé Coût de la matière première ( /GJ) Coût de production de l hydrogène ( /GJ) Coût final de l hydrogène avec l infrastructure ( /GJ) Référence : essence (2003) 2,5 Essence : 6 Essence : 7 Reformage du gaz naturel Gazéification du charbon 1, Gazéification de la biomasse 2, électrolyse Questions : 1) a) Expliquer succinctement le principe d une pile à combustible. On donnera notamment les équations des réactions se produisant à l anode et à la cathode de cette pile, puis l équation globale de la réaction. b) Pourquoi dit-on que le dihydrogène est un vecteur énergétique et non une source d énergie? 2) Production par vaporéformage : a) Ecrire les deux réactions successives qui se produisent lors du vaporéformage du méthane. Montrer qu au final une mole de méthane produit bien quatre moles de dihydogène. b) Quels sont les inconvénients de ce mode de production? Pourquoi est-il aujourd hui le plus utilisé? 3) Production par électrolyse de l eau : a) Pourquoi ce mode de production est-il aujourd hui très peu utilisé? b) Cette solution est néanmoins la plus prometteuse sur le plan environnemental. Expliquer. 4) Production à partir de la biomasse : a) Qu appelle-t-on «biomasse»? b) Quels sont les avantages de produire du dihydrogène par gazéïfication de la biomasse plutôt que par vaporeformage? OU : Synthèse de documents: A partir des documents et de vos connaissances, expliquez pourquoi le dihydrogène est choisit comme vecteur énergétique et rédigez une étude comparative des différents modes de production du dihydrogène (30 lignes maximum).

4 Activité expérimentale : production du dihydrogène par électrolyse. Réalisée sur de l eau épurée, l électrolyse fournit du dihydrogène très pur, d un grand intérêt dans quelques applications bien ciblées, dans l industrie, en laboratoire, ou pour l hydrogénation d huiles végétales. Le coût énergétique, bien sûr, est à la mesure de cette pureté : il se monte à une dépense comprise entre 48 et 62 kwh d électricité par kilogramme de dihydrogène produit. D après Claude Ronneau Énergie, pollution de l air et développement durable (Presse universitaire de Louvain) On souhaite répondre à la question suivante : «Quelle est l énergie électrique nécessaire pour produire 1,0 kg de dihydrogène par électrolyse, si on utilise le matériel disponible au laboratoire de chimie du lycée?» A l aide des documents et du matériel fourni, votre travail consiste à : 1) Proposer un protocole permettant de déterminer l énergie électrique nécessaire à la production de 1,0 kg de dihydrogène dans les conditions du laboratoire. Appeler le professeur pour qu il valide le protocole. 2) Réaliser la manipulation et les calculs nécessaires pour répondre à la question posée. 3) Comparer votre résultat aux valeurs obtenues dans l industrie et proposer des solutions pour améliorer le rendement de votre expérience. DOCUMENT 1 L électrolyse est une transformation forcée au cours de laquelle il y a conversion d énergie électrique en énergie chimique. Un générateur impose un transfert indirect d électrons entre un réducteur et un oxydant. *Dans une cellule d électrolyse, Le pôle + (relié au pôle + du générateur électrique) est l anode: il s y produit une oxydation. *Le pôle (relié au pôle du générateur électrique) est la cathode : il s y produit une réduction. * La vitesse à laquelle se produit la réaction d électrolyse dépend notamment de l intensité du courant électrique circulant dans le circuit. DOCUMENT 3 : photo et schéma simplifié du montage de l électrolyse de l eau DOCUMENT 5 DOCUMENT 4 Loi des gaz parfaits : P*V =n*r*t avec P : pression en Pa (on prendra pour pression atmosphérique p = 1, Pa) V : volume du gaz en m 3 N : quantité de matière en mol T : température du gaz en K R : constante des gaz parfaits : R = 8,31 S.I. La puissance électrique P fournie par le générateur se calcule par Avec : P = U*I. P : puissance en (W) ; DOCUMENT 2 Le dihydrogène est produit par une électrolyse de l eau dont l équation bilan est la suivante : 2 H2O (l) 2 H2 (g) + O2 (g) Les couples oxydant/réducteur mis en jeu dans cette électrolyse sont : H + /H 2 et O 2 /H 2 O U : tension mesurée aux bornes du générateur en (V) ; I : intensité du courant électrique circulant dans le circuit en (A). Tubes à essai initialement rempli d eau électrode E Solution d acide sulfurique électrolyseur Matériel disponible un électrolyseur, un générateur de tension + fils électriques une résistance variable, deux multimètres, une éprouvette graduée de 10 ml, un bécher, un chronomètre, une potence, pince et noix. une solution d acide sulfurique à 0,1 mol.l -1, gants, lunettes de sécurité.

5 Problème : Aujourd hui, un peu plus de tonnes de dihydrogène sont produites et consommées chaque année en France, essentiellement pour deux applications industrielles : la chimie (production d ammoniac) et le raffinage. Dans cette activité, on cherche à résoudre le problème suivant : «Quelle masse de dihydrogène devrait être produite chaque année en France pour remplacer les voitures à essence par des voitures utilisant une pile à combustible?» Votre travail consiste à répondre à cette question à l aide des documents à votre disposition. Des commentaires sur les résultats obtenus sont également attendus. Document 1 : évolution du parc automobile français entre 2008 et 2012 : En France, il existe deux types de carburant pour les voitures particulières : l essence et le gasoil (ou gazole). - 40% des automobilistes utilisent l essence qui est un mélange d hydrocarbures légers et d additifs. Pour être commercialisé, ce mélange doit vérifier des contraintes très strictes sur les propriétés physiques (masse volumique proche de 0,75 kg.l -1 ), énergétiques (indice d octane) et chimiques (limitation des teneurs en certains composants). - 60% des automobilistes français utilisent du gasoil (on parle alors de véhicule diesel). Il s agit d un mélange d hydrocarbures lourds et d additifs. L essence et le gasoil possèdent des propriétés physiques, chimiques et énergétiques différentes Voitures particulières (en milliers) dont essence dont diesel Parcours annuel moyen (en km) Consommation moyenne (en L/100 km) Véhicule à essence Véhicule diesel 7,8 6,6 7,8 6,6 7,8 6,5 7,7 6,5 7,7 6,5 Document 2 : principe de fonctionnement d un moteur à essence : Dans un moteur, c'est la réaction de combustion de l'essence qui dégage l'énergie nécessaire au fonctionnement. Cette réaction exothermique est caractérisée par son Pouvoir Calorifique, PC, qui est la quantité d'énergie libérée par la combustion complète d'une masse d'un kg. Le pouvoir calorifique moyen de l essence est PC= kj.kg -1. Toute l énergie libérée n est pas convertie en énergie mécanique et le rendement d un moteur à essence dépend des conditions d utilisation du véhicule. On peut considérer que le rendement moyen d un moteur à essence est de l ordre de 25%. Document 3 : la voiture à hydrogène : Les voitures à hydrogène utilisent une pile à combustible associée à un moteur électrique. Dans la pile à combustible a lieu la réaction de combustion du dihydrogène : H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l). C est une réaction exothermique libérant une quantité d énergie égale à 1, kj pour un kilogramme de dihydrogène consommé. Une partie de l énergie libérée est utilisée pour alimenter le moteur électrique qui convertit l énergie électrique en énergie mécanique. Avec les piles à combustible utilisées actuellement, environ 50% de l énergie libérée par la combustion du dihydrogène est convertie en énergie mécanique.

6 Fiche professeur pour l activité documentaire (synthèse) Prérequis des élèves : aucun Durée estimée : A préparer à la maison ou prévoir un peu moins d une heure. Proposition : On peut donner au choix les questions seules, les questions suivies de la synthèse, la synthèse seule Evaluation de la synthèse précédée des questions : Compétences S approprier Analyser Communiquer Valider évaluées Coefficient La compétence S approprier est évaluée sur les réponses aux questions. A : L ensemble des questions est bien traité. B : Quelques réponses maladroites ou incomplètes ou une réponse fausse. C : Plusieurs réponses fausses ou l ensemble est trop peu consistant et maladroit. D : des graves erreurs ou la quasi totalité des réponses fausses. - La compétence analyser est évaluée sur la manière dont sont organisées et exploitées les informations provenant des documents pour répondre à la question de synthèse posée. Les critères retenus sont : définition d un vecteur énergétique, explication relative à l utilisation du H2 comme vecteur énergétique, comparaison détaillée des trois modes de production proposés : sur l impact environnemental, sur le rendement, sur le coût A : Tous les critères sont satisfaisants. B : il manque un point dans la comparaison ou la notion de vecteur énergétique a été mal décrite. C : il manque plusieurs points dans la comparaison ou il manque un point dans la comparaison et la notion de vecteur énergétique a été mal décrite. D : L élève a été incapable de répondre aux critères attendus. - La compétence Communiquer évalue la qualité de la rédaction. Les critères retenus sont : rédiger de manière claire une étude comparative, pas de paraphrase, utiliser un vocabulaire scientifique précis. - La compétence Valider est évaluée essentiellement dans la conclusion. Les critères retenus sont : comparer les différents modes de production en y apposant un regard critique et en utilisant éventuellement des connaissances personnelles (effet de serre, ).

7 Fiche professeur pour le TP Prérequis des élèves : Les élèves ont des notions d oxydoréduction et connaissent le fonctionnement d une pile et éventuellement le principe de l électrolyse. Durée estimée : Si l activité documentaire a été donnée à faire à la maison, on peut la corriger et faire l activité expérimentale pendant une séance de 2 h. Evaluation de l activité expérimentale : Compétences évaluées Analyser Réaliser Valider Coefficient La compétence analyser est évaluée lorsque l élève propose le protocole. Dans le protocole, on attend: Le circuit électrique à réaliser (avec éventuellement un schéma du montage) et les branchements de l ampèremètre et du voltmètre. Que l élève explique comment il va récupérer le dihydrogène et mesurer le volume produit Qu il explique la nécessité de déterminer la durée de l électrolyse pour produire un volume de H 2 donné afin de calculer l énergie électrique consommée par unité de volume, puis par unité de masse de H 2 produit. Eventuellement qu il explique la nécessité de maintenir l intensité du courant électrique à une valeur constante d où l introduction d une résistance variable dans le circuit électrique. A : l élève propose un protocole complet avec éventuellement 1 ou 2 interventions du professeur (questions ouvertes par lesquelles l élève répond de lui-même). B : L élève a réalisé le travail de manière satisfaisante, mais grâce à plus de deux questions ouvertes ou à l apport d une solution partielle. C : Le professeur apporte plusieurs solutions partielles à l élève. D : Le professeur donne le protocole complet à l élève. - La compétence réaliser est évaluée lorsque l élève manipule. Les critères retenus sont : suivre un protocole et faire des mesures précises. A : Bonne manipulation de l élève. B : L élève a réalisé l ensemble du travail demandé, grâce à 1 ou 2 questions ouvertes du professeur. C : Le professeur doit apporter une ou plusieurs aides à l élève. D : L élève a été incapable de réaliser des mesures correctes malgré les aides apportées par le professeur. - La compétence valider est évaluée lors de l exploitation des mesures et de l analyse des résultats. Les critères retenus sont : mener à bien les calculs nécessaires ; analyser l ensemble des résultats de façon critique (les interpréter, juger de leur qualité) ; faire des propositions pour améliorer le rendement de l expérience. A : L élève réalise les calculs nécessaires et commente le résultat trouvé. B : L élève réalise seul les calculs nécessaires, mais il ne commente pas le résultat ou il est aidé pour les calculs et commente correctement le résultat obtenu. C : L élève est aidé pour les calculs et pour commenter le résultat. D : La solution est fournie par le professeur.

8 Correction du TP : Les valeurs indiquées dans cette correction ne sont pas forcément reproductibles (elles dépendent de l électrolyseur et de l état des électrodes) 1) On réalise le montage suivant pour récupérer le dihydrogène à la cathode : Eprouvette graduée initialement remplie d eau maintenue par un support Solution d acide sulfurique électrolyseur E A V 2) On calcule l énergie électrique Ee 1 nécessaire pour produire 10 ml de dihydrogène en mesurant I, U et la durée t de l électrolyse nécessaire pour obtenir V 1 = 10 ml : Ee 1 = U*I* t = 12,1*0,317*248 = 951 J On détermine alors l énergie nécessaire à la production de m = 1,0 kg de dihydrogène sachant que le volume correspondant de dihydrogène à 20 C sous 1 atm vaut : V = m*v m /M(H 2 ) = 1000*24/2 = L = 1, ml Soit : Ee = Ee 1 *1, /10 = 951 * 1, /10 = 1, J = 3, kwh! 3) On a un facteur 310/62 = 5 au mieux : rendement industriel autour de 64 %, le notre de 10 % : conditions différentes : nature des électrodes, de l électrolyte, concentration ionique Augmenter la concentration en acide, changer la nature des ions, diminuer la résistance du circuit Note : Quand on avait fait la manip avec de l acide plus concentré (2 mol.l -1 ), on trouve E e = (12*3*14)*1, /3, = 168 kwh

9 Fiche professeur pour le problème Durée estimée : Ce problème a été donné à plusieurs élèves en spécialité physique. Les plus rapides arrivent à le résoudre en minutes et une grande majorité arrive à des résultats tout à fait satisfaisants au bout de 45 minutes. Evaluation du problème : Compétences évaluées Analyser Réaliser Valider Coefficient Pour La compétence Analyser les critères retenus sont : organiser et exploiter ses connaissances ou les informations extraites ; construire les étapes d une résolution de problème. Les différentes étapes attendues sont : Etape 1 : Détermination de la masse d essence consommée annuellement en France en utilisant les données du tableau (les plus récentes) et la relation m=ρ V Etape 2 : Exploitation du pouvoir calorifique de l essence et du rendement d un moteur à essence pour déterminer l énergie utile produite. Etape 3 : détermination de la masse de dihydrogène permettant de produire la même énergie. A : l élève mène correctement les différentes étapes de la résolution de problème. B : Une des étapes de la résolution n est pas correctement menée. C : 2 des étapes ne sont pas bien menées. D : l élève n a pas réussi à construire les différentes étapes de la résolution. - Pour la compétence Réaliser les critères retenus sont : effectuer des calculs littéraux ou numériques A : Les calculs menés sont techniquement justes. Les unités et les chiffres significatifs sont correctement maîtrisés. B : Les calculs sont bien menés pour 2 des 3 étapes du problème, ou les calculs sont justes, mais il y a des difficultés avec les unités et les chiffres significatifs. C : les calculs sont corrects pour une seule des 3 étapes du problème. D : De nombreuses erreurs de calcul. - La compétence valider est évaluée lors de l analyse des résultats. Les critères retenus sont : faire preuve d esprit critique L élève pose un regard critique sur la valeur trouvée (une telle masse nécessitera des investissements importants pour produire les infrastructures nécessaires, le coût énergétique sera important, problèmes de stockage, ) Si son résultat lui paraît aberrant, il émet une hypothèse sur une source d erreur possible.

10 Correction du problème : - Calcul de la masse d essence consommée annuellement en France : En 2012, 1, voitures à essence parcouraient en moyenne km. Le nombre total de kilomètres parcourus est donc d = 1, = 1, km, ce qui correspond à une consommation d essence : V= 1, L, soit une masse m essence = 9, kg - Energie libérée par la combustion de l essence : L énergie libérée par 9, kg d essence est E lib = 9, = 3, kj. Le rendement moyen du moteur à essence étant de 25%, seuls 9, kj sont convertis en énergie mécanique. - Quelle masse de dihydrogène doit-on utiliser pour produire une énergie mécanique équivalente? Pour produire cette quantité d énergie, il faut (en tenant compte du rendement de 50% de la PAC) une masse de dihydrogène égale à m H2 = 1, kg. - Analyse du résultat : Pour remplacer toutes les voitures à essence par des voitures utilisant une PAC, la capacité de production française en dihydrogène devra être portée à 2, tonnes, (quasiment multipliée par un facteur 3). Cela nécessitera donc des investissements importants pour créer les infrastructures nécessaires.