1er THEME : L’EAU

CHAPITRE 3 EAU ET ENERGIE

TP 1 LA PRODUCTION DE DIHYDROGENE

I. MANIPULATION : ELECTROLYSE DE L’EAU

L’électrolyse de l’eau est l’une des voies de synthèse du dihydrogène. Elle est envisagée pour utiliser les surplus de

production d’électricité. Les électrolyseurs transforment l’énergie électrique en énergie chimique. La manipulation permet

d’étudier leur fonctionnement et de déterminer le rendement de la transformation d’énergie

1. Etude qualitative

a. Manipulation

Remplir l’électrolyseur avec de l’eau du robinet, jusqu’à mi-hauteur.

Placer sur chaque électrode une éprouvette graduée remplie d’eau,

maintenues avec les pinces support.

Ajouter environ 50 mL d’acide sulfurique à 2 mol/L

Représenter le montage permettant d’alimenter l’électrolyseur par une

tension continue de 12V, et permettant de mesure la tension aux bornes

de l’électrolyseur et l’intensité du courant qui le traverse.

Régler le générateur de tension continue à 12 V, puis réaliser le circuit.

Fermer le circuit et le laisser débiter pendant 5 min.

Noter vos observations

Boucher l’éprouvette associée à l’électrode liée au + du générateur, puis

introduire une buchette incandescente à l’intérieur.

Boucher l’éprouvette associée à l’électrode liée au - du générateur, puis

approcher une flamme de l’ouverture

b. Exploitation

1) Déduire des tests la nature des gaz produits à chaque électrode

2) Représenter le sens du courant sur le circuit

3) En déduire le sens de déplacement des électrons dans le circuit

4) Ecrire les équations de réactions à chaque électrode, et préciser la nature de chacune de ces réaction

5) Identifier l’anode et la cathode

6) Ecrire l’équation de la réaction globale de cette électrolyse

7) Les volumes obtenus des deux gaz sont-ils cohérents avec l’équation de la réaction ?

2. Caractéristique de l’électrolyseur

a. Manipulation

A l’aide du montage précédent, proposer un protocole permettant de suivre l’évolution de l’intensité du courant en fonction

de la tension appliquée (de 0 à 6 V ; 12 valeurs)

Réaliser le montage et rassembler les valeurs dans un tableau

b. Exploitation

1) Tracer la caractéristique U = f(I) de l’électrolyseur

2) L’équation de la caractéristique est-elle du type :

a) U = E + rI

b) U = rI

c) U = E – rI

3) L’électrolyseur est-il un générateur ou un récepteur électrique ?

4) Déterminer la valeur de la force électromotrice (f.e.m.) et de la résistance interne r de l’électrolyseur

3. Rendement de la production

a. Manipulation

Reprendre le dispositif du 1.

Alimenter le circuit avec une tension U = 12V, et déclencher le chronomètre

Noter la valeur de l’intensité I

Arrêter le dispositif lorsque le volume de dihydrogène formé est V(H2) = 10,0 mL, et stopper le chronomètre. Noter la

durée Δt

b. Exploitation

1) Donner le schéma de la chaîne énergétique considérée

2) Exprimer et calculer l’énergie électrique Ee reçue par l’électrolyseur

Eau + acide

sulfurique

- +

3) Calculer la masse m(H2) recueillie sachant que dans les conditions de l’expérience, le volume molaire des gaz vaut Vm =

24L/mol

4) En déduire la valeur de l’énergie chimique Ech stockée, sachant que la capacité énergétique massique du dihydrogène

vaut Cm= 141,8 MJ.kg-1.

5) En déduire le rendement énergétique ρ de cette électrolyse

II. LES MEHODES DE PRODUCTION ACTUELLES DE DIHYDROGENE

1. Les utilisations du dihydrogène

« Si l’hydrogène n’est actuellement quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie, il est une des matières de base de

l’industrie chimique et pétrochimique. Il est utilisé notamment dans la production d’ammoniac et de méthanol, et pour le

raffinage du pétrole ; il est également employé dans les secteurs de la métallurgie, de l’électronique, de la pharmacologie,

ainsi que dans le traitement des produits alimentaires. Pour couvrir ces besoins, 50 millions de tonnes de dihydrogène sont

déjà produits chaque année. Mais, si ces 50 millions de tonnes devaient servir à la production d’énergie, elles ne

représenteraient que 1,5% de la demande d’énergie primaire. Utiliser l’hydrogène comme vecteur énergétique suppose donc

d’augmenter radicalement sa production. »

Extrait de L’hydrogène, livret pédagogique n°12, CEA 2004

2. Intérêt du dihydrogène

« Si le dihydrogène présente tant d’attraits, c’est que cette molécule, chimiquement réductrice, se combine aisément au

dioxygène de l’air pour donner de l’énergie et de l’eau comme seul sous-produit. Le revers de la médaille est que sa

production exige, symétriquement, beaucoup d’énergie, car elle s’appuie sur des molécules riches en hydrogène, mais

foncièrement stables, comme l’eau et le méthane. »

Extrait de C.Baudouin et col., « comment produire l’hydrogène ? », Clefs CEA n°50/51, hiver 2004-2005

3. Productions de dihydrogène

La production de dihydrogène à partir du méthane (appelée conversion du méthane) est la plus répandue auprès des

industriels pour les besoins de raffinage de l’industrie pétrolière. Au cours de ce processus, la molécule de CH4 est brisée

par la chaleur et la vapeur d’eau sur un catalyseur au nickel. La réaction est dite « endothermique », c’est-à-dire qu’elle

nécessite un important apport de chaleur (840-950°C). le CO issu de cette première réaction est ensuite converti en CO2

par l’adjonction d’eau (water gas shift). Il en résulte la production de dihydrogène et de dioxyde de carbone. Une troisième

étape est la purification du dihydrogène sur tamis moléculaire.

Un autre procédé est utilisé pour traiter les carburants plus lourds comme le gazole, il s’agit de l’oxydation partielle. Cette

opération s’effectue à plus haute température (1200-1500°C) et sous assez forte pression (20 à 90 bar). L’hydrocarbure est

oxydé en présence de dioxygène. Les deux opérations suivantes sont identiques à celles de la conversion : conversion du CO

et purification. Cette réaction est, elle, « exothermique », c’est-à-dire qu’elle dégage de la chaleur.

La troisième méthode, le reformage autothermique […] fait l’objet d’importantes recherches.

Dans tous les cas, seul le dihydrogène est conservé. Le carbone est rejeté sous forme de gaz carbonique. Sans séquestration

du carbone, cette méthode contribue à l’effet de serre.

La séquestration du dioxyde de carbone est donc une des technologies clefs de l’économie de l’hydrogène et de la lutte

contre le changement climatique…

L’électrolyse de l’eau est la deuxième grande famille de méthodes d’extraction du dihydrogène disponible aujourd’hui. Elle

est très marginale, moins de 1 % du dihydrogène produit, et réservée à la production de dihydrogène de très grande pureté…

Pour être rentable écologiquement et économiquement, l’électricité utilisée doit être bon marché et sans émission de CO2

4. Electrolyse de l’eau

L’électrolyse de l’eau est mise en œuvre dans des installations de plusieurs

mégawatts pour produire du dihydrogène de grande pureté lorsque

l’électricité est disponible à faible coût ou en excès. Les valeurs classiques de

différences de potentiel appliquées aux bornes des cellules d’électrolyse dans

les installations industrielles sont de l’ordre de 1,7 à 2,1 V. L’alimentation en

eau d’un électrolyseur est de l’ordre de 1 L/Nm3 L’eau utilisée doit être la plus

pure possible, afin d’éviter l’accumulation de boues et les phénomènes de

corrosion aux électrodes.

L’électrolyte est généralement une solution aqueuse alcaline (hydroxyde de

potassium – électrolyse industrielle) ou une membrane polymère échangeuse

de protons, H+ (électrolyse de faible capacité)

5. L’hydrogène dans le monde

6. Le projet Myrte

La plate forme solaire de Vignola, à Ajaccio, associe 550 kW de panneaux solaires et un système de stockage électrique. Un

électrolyseur Hélion produit du dioxygène et du dihydrogène. Sa capacité maximale est de 40 Nm3/h.

Le dihydrogène et le dioxygène sont stockés à la pression de sortie de l’électrolyseur (de l’ordre de 35 bars).

7. Questions

1) Quelles sont les principales utilisations du dihydrogène ? Pourquoi la production de dihydrogène doit-elle être

optimisée ?

2) Quelle devrait être la masse de dihydrogène produit si ce gaz devait satisfaire la totalité des besoins en énergie

primaire ?

3) Ecrire l’équation de la réaction d’oxydation partielle d’un hydrocarbure de formule générale CnHm en monoxyde de

carbone, puis celle de la conversion du monoxyde de carbone par adjonction d’eau.

4) En déduire l’équation traduisant le bilan de ces deux réactions

5) Pourquoi peut-il être intéressant de traiter ainsi les résidus lourds issus de la distillation des pétroles ?

6) En prenant comme exemples pour l’argumentation la conversion su méthane et l’électrolyse de l’eau, commenter le

deuxième doc.

7) En considérant l’électrolyseur du doc. 4 :

a) Quelle espèce assure le passage du courant dans le circuit extérieur à l’électrolyseur et dans les électrodes ?

b) Quelle espèce assure le passage du courant dans l’électrolyseur ?*

c) Quel est le rôle du générateur ? Quelle est la transformation d’énergie réalisée ?

d) Ecrire l’équation des réactions qui se produisent à l’anode et à la cathode

8) Que représente la notation Nm3 ? Commenter la phrase soulignée dans le doc.4

9) Quel est l’intérêt de stocker le dihydrogène sous pression ?

10) Quelles sont les transformations d’énergies réalisées à Vignola ?