Procédés Energies Environnement 2013-2014 projet de deuxieme annee Production d’hydrogène par photo-électrolyse Iris Spindler Romain Farigoule Raphael Amar Projet de deuxième Remerciements Nous tenons à reme ne Sni* to View nt Monsieur Fabrice Patisson, notre tuteur, pour l’aide qu’il nous apportée tout au long de notre projet, ses conseils ainsi que ses suggestions afin que nous avancions au mieux dans notre travail.
Nous remercions également Julien Jourdan et l’Institut Jean Lamour de nous avoir permis de réaliser nos expériences en leurs locaux et de nous avoir prêté le matériel nécessaire à la bonne réalisation e notre projet. Nous le remercions en particulier pour ses remarques et conseils pour la construction de notre maquette. Enfin nous remercions Souleymane Kologo, ngénieur conseil ? Alphea Hydrogène pour ses conseils et ses apports pour la réalisation de notre prototype. .1. 1 La production à partir d’hydrocarbures 1. 1. La production à partir de l’eau 5 1. 2 . 3 2 Méthodes de stockage 7 Distribution de ‘hydrogène . Photolyse de l’eau . 13 2. 1 2. 2 Photocatalyse de Peau La photo-électrolyse de 2 4 . 14 L’électrode de cuivre CuO (cathode): . Conclusion 30 Bibliographie — 31 Projet de deuxième année 2014 Introduction 6
Les scientifiques et industriels se sont alors intéressés à des sources d’énergie alternatives aux hydrocarbures capables de répondre à la demande future. L’hydrogène figure parmi ces solutions. Situé en tête de la classificatlon périodique des éléments, il a toujours été source d’un grand intérêt pour la communauté scientifique à cause de son grand ouvoir énergétique et de sa disponibilité illimitée sur Terre. Réussir à maîtriser la production le stockage et Futilisation de ermettrait au monde de PAGF 3 2 un erueu maJeur.
L’hydrogène servirait ainsi de carburant pour les transports, ou bien de combustible pour l’alimentation de moteurs électriques. Cependant les caractéristiques physico-chimiques de cet élément le rendent très difficile à produire et à utiliser. En particulier, il n’existe aujourd’hui pas de technique de production non consommatrice d’énergie fossile et non émettrice de gaz à effet de serre. Le procédé de photo-électrolyse de l’eau, roduisant de l’hydrogène à partir de lumière comme source primaire, répond à ce problème.
Encore au stade de recherche, la maitrise de ce procédé et son utilisation à une grande échelle de production permettrait de relever le défi de la production d’hydrogène « propre ». Nous nous sommes intéressés à cette méthode, en réalisant nous-mêmes un modèle réduit de photoélectrolyseur dans le but de le présenter à une éventuelle fête de la science. Nous détaillerons les enjeux et les difficultés de l’utilisation de l’hydrogène, puis nous expliquerons la construction de notre électrolyseur. Enfin, nous donnerons nos impressions sur notre projet, sa portée et les perspectives qui y sont liées. Présentation de l’hydrogène 1. 1 Méthodes de production L’hydrogène n’existe pas sous sa forme pure dans la nature. C’est pourquoi, afin de pouvoir l’industrie, l’objectif est de choisir la méthode la moins coûteuse et la plus productrice d’hydrogène, en termes de rendement et de quantité. 1 . 1. 1 La production à partir d’hydrocarbures Les hydrocarbures sont la source de 96% de la production mondiale d’hydrogène. Il s’agit de la source la moins couteuse actuellement, avec un prix d’environ ,50€ par kilogramme de H 2 produit pour le vaporeformage.
Cependant, comme nous allons le voir, cette méthode est énergivore et produit beaucoup de C02. Il existe trois procédés pour extraire l’hydrogène présent dans les hydrocarbures. Le premier est le vaporeformage des hydrocarbures légers, c’est à-dire ceux dont le point d’ébullition est inférieur à 2000C, comme le méthane. Pour plus de clarté, nous expliquerons cette méthode avec ce dernier gaz, mais elle peut aussi se faire avec de l’éthane ou du GPL. Il s’agit d’une réaction avec de la vapeur d’eau à environ 900DC pour produire u dihydrogène et du dioxyde de carbone.
La réaction a lieu en deux étapes: Le bilan global de la réaction est: Le C02 et le H2 sont ensuite séparés et on obtient le produit voulu. Cette réaction est endothermique (d’autant plus qu’il faut que Veau soit chaude) et produit un gaz responsable de Yeffet de serre, le dioxyde de carbone. Cest pourquoi beaucoup de recherches sont actuellement en cours au sujet de la production d’hydrogène. Un autre procédé à partir d’hydrocarbures est l’oxydation partielle, qui se fait aussi en deux éta es.
La deuxième est la même poreformage: il faut PAGF s 2 transformer le monoxyde de carbone râce à de la vapeur d’eau en dioxyde de carbone et dihydrogène. Les réactions sont les suivantes: Le bilan global est: L’oxygène en jeu peut être pur mais la réaction fonctionne aussi avec de l’air, ce qui est moins dangereux. Cette réaction est encore productrice de dioxyde de carbone mais elle est exothermique. C’est son avantage principal, ainsi que le fait qu’elle consomme moins d’eau que le vaporeformage, mais elle est aussi moins productrice d’hydrogène.
Enfin le dernier procédé faisant intervenir les hydrocarbures est le reformage autotherme, une combinaison des deux procédés précédents. L’objectif est ‘utiliser l’exothermicité de l’oxydation partielle pour alimenter le vaporeformage en énergie. Ainsi, la chaleur dégagée par l’oxydation partielle va permettre de chauffer l’eau nécessaire au vaporeformage. Cette méthode permet de traiter les hydrocarbures lourds comme légers et permet un meilleur rendement de production d’hydrogène. Méthode mis en jeu Hydrogène produit OF produire du C02 et sont donc aujourd’hui controversées.
De plus, le dihydrogène produit est souvent impur et il faut traiter le gaz de synthèse avant d’obtenir réellement du HZ C’est pourquoi certains industriels cherchent à se ourner vers des méthodes plus propres et produisant un « meilleur’ hydrogène. 1 . 1. 2 La production à partir de l’eau Au niveau mondial, seulement de la production d’hydrogène est issue d’une dissociation de l’eau par électrolyse. Cette méthode permet de supprimer les points négatifs de celles reposant sur le craquage des hydrocarbures, d’autant plus si la source électrique est propre elle aussi.
La dissociation d’une molécule d’eau a pour équation: Son enthalpie molaire de réaction vaut: Il faut donc apporter de l’énergie pour produire du dihydrogène de cette façon. ‘électrolyse repose ur un apport électrique. Il faut, pour un meilleur rendement, effectuer cette dissociation dans une solution acide ou alcaline afin d’augmenter la conductivité de l’eau. De plus, l’eau étant très stable, la tension à imposer aux bornes de l’électrolyseur est importante et ceci peut nuire aux électrodes.
Enfin, cette méthode de production est propre car elle n’émet pas de gaz à effet de serre, à condition que la source d’énergie soit propre aussi et non issue d’hydrocarbures. On peut améliorer le rend tique de l’électrolyse en la PAGF 7 OF nécessaire. Il reste néanmoins à fournir de l’énergie pour ugmenter la température, mais ceci est moins couteux que de produire une haute tension. Enfin, pour s’affranchir du problème de la propreté de la source d’énergie de l’électrolyse et du coût de celle-ci, de nombreuses recherches se tournent aujourd’hui vers la photolyse de l’eau.
Il s’agit l? d’utiliser l’énergie des photons pour permettre la dissociation de l’eau. Cette source d’énergie peut être utilisée de deux manières différentes : La première méthode de photolyse est la photo-électrolyse. C’est celle que nous avons développée et qui consiste à placer deux electrodes photosensibles dans de ‘eau. Elles vont alors produire ellesmêmes un potentiel électrique nécessaire pour effectuer l’oxydoréduction de l’eau, produisant de l’oxygène et du dihydrogène. Ces réactions sont endothermiques et l’énergie proviendra des photons envoyés sur les électrodes.
Nous donnerons plus loin plus de détails sur ces dernières et sur les rendements de cette méthode. Elle est théoriquement peu couteuse car la lumière du soleil suffit pour fournir l’énergie nécessaire. Cependant, il n’y a pas de photo-électrodes connues à ce jour permettant un rendement de production d’hydrogène suffisant ? ‘aide de la lumière du soleil, équivalent à l’apport d’électricité conventionnel depuis un générateur. C’est le problème principal de cette méthode de production, qui est encore au stade de la recherche.
On peut aussi produire du dihydrogène à partir d’eau par photocatalyse. Il s’agit de mettre des organismes capables de dissocier reau naturellement et de leur fournir l’énergie lumine 8 OF mettre des fournir l’énergie lumineuse nécessaire à la dissoclation. On peut utiliser des algues ou des bactéries. Ces organismes sont très photo-phages et il faut fournir beaucoup d’énergie photonique. Nous reviendrons sur les détails et contraintes de cette méthode plus loin. L’utilisation de l’eau pour produire de l’hydrogène est propre car elle ne rejette pas directement du C02.
Cependant, quelle que soit la méthode choisie, le coût en énergie est actuellement trop élevé pour que cette méthode soit répandue et utilisable dans l’industrie. Cependant, l’idée de produire de 6 l’hydrogène à partir de soleil et d’eau est alléchante et motive beaucoup de recherches, encore au stade d’expériences de laboratoire, de la part des industriels consommateurs d’hydrogène. .2 La principale difficulté liée au transport de l’hydrogène est la place prise par ce gaz en conditions normales de pression et de température. En effet, avec 85,2 kg par litre, c’est le gaz ayant le volume massique le plus élevé.
Le stockage est donc l’un des points les plus problématiques liés ? l’hydrogène, consistant à contenir un maximum d’énergie dans un minimum de volume. L’en d’hydrogène permettrait ainsi de fournir une quantité d’énergie comparable à un réservoir d’essence actuel. Les enjeux du stockage de « hydrogène sont ainsi une compacité, une réversibilité, la sécurité, une souplesse ‘utilisation et une faible consommation d’énergie Le stockage gazeux à haute pression dans une bouteille est actuellement la solution la plus développée.
On n’obtient cependant pas une grande quantité d’hydrogène embarquée à l’état gazeux, avec une masse volumique maximale obtenue de 31 g par litre à 13 bars. Par ailleurs, avec des presslons atteignables de 200 bars à basse température, le stockage impose des bouteilles métalliques très solides et donc très lourdes. En réponse à ce problème, les matériaux composites comme le kevlar et la fibre de carbone sont développés pour onstituer des bouteilles de stockage.
C’est ce type de matériaux qui équipent les modèles de voiture ? hydrogène. Bouteille d’hydrogène gazeux compressé (source : Air Liquide) Le stockage sous forme liquide existe aussi, et permet d’avoir une compacité 800 fois supérieure ? l’état gazeux. Le problème de ce mode de stockage est évidemment la température de -2400C ? atteindre et à maintenir, necessitant par ailleurs une grande quantité d’énergie à fournir (énergie de liquéfaction de 449kJ/kg à fournir). Par ailleurs, les matériaux actuels constituant les bouteilles ne
