FACULTE DES SCIENCES ET SIENCES APPLIQUEES UAMOB MEMOIRE ...dspace.univ-bouira.dz:8080/.../123456789/2557/1/bassim-fares.pdf · faculte des sciences et siences appliquees departement

FACULTE DES SCIENCES ET SIENCES APPLIQUEES

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

MEMOIRE PRESENTE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME DE

MASTER

OPTION

ETUDE D'UNE INSTALLATION DE PRODUCTION D’HYDROGENE PHOTOVOLTAIQUE

PAR ELECTROLYSE DE L’EAU

Présenté par : KHELLAL Bassim.

BOUDID Fares.

Soutenue le : 16 / 06/2015 devant le jury suivant

Président : Dr B.MAHFOUD

Examinateur : Mr M.MOUSSAOUI

Examinateur : Mr T.MESSAI


UAMOB

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE


MASTER EN GENIE MECANIQUE

OPTION : ENERGETIQUE MECANIQUE

THEME

ETUDE D'UNE INSTALLATION DE PRODUCTION D’HYDROGENE PHOTOVOLTAIQUE

PAR ELECTROLYSE DE L’EAU

Bassim. Rapporteur : Dr A .AIT YALA.

Fares.

devant le jury suivant :

.MAHFOUD Université Akli Mohand Oulhadj

.MOUSSAOUI Université Akli Mohand Oulhadj

Mr T.MESSAI Université Akli Mohand Oulhadj

Promotion juin 2015



PRODUCTION D’HYDROGENE PHOTOVOLTAIQUE

.AIT YALA.

Université Akli Mohand Oulhadj- Bouira



Promotion juin 2015

Remerciements

Nous tenons avant tout a remercié dieu tout puissance de nous

avoir donné la force et la volonté pour achever ce modeste travail.

Nous tenons à remercier particulièrement nos parents ; notre

succès demeure de loin le fruit de leurs langues années de sacrifices

et d’éducation.

Nous exprimons toute nos gratitudes à Monsieur le Docteur

A.AIT YALA, pour l ’e f for t fourni , l es conse i l s prod igués , sa

pa t ience e t sa persévérance dans le suivi.

Nous adressons également nos remerciements, à tous nos

enseignants, qui nous ont donnée les bases de la science, nous

remercions très sincèrement, les membres de jury d’avoir bien voulu

accepter de faire partie de la commission d’examinateur.

Enfin, nous adressons nos plus sincères remerciements a tous nos

proches et amis, qui nos ont toujours soutenue et encouragée au cours de la

réalisation de ce mémoire.

Merci a tous et a toutes.

RÉSUMÉ :

L'hydrogène présente certaines caractéristiques physico-chimiques

avantageuses d'un point de vue énergétique. C'est un gaz très léger qui possède un pouvoir

calorifique très élevé. Il est inodore, incolore, non polluant. L'hydrogène est le combustible

et le porteur d'énergie le plus prometteur et le plus universel, dont l'emploi se

généralisera dans l'avenir. Nous permet d’utiliser dans ce travail la production

d’hydrogène par la voie solaire avec l’électrolyse d’eau. La réalisation d’une installation

photovoltaïque au but de la production d’hydrogène par électrolyse d’eau est faite en utilisant

un électrolyseur de type alcalin avec NaCl comme électrolyte dans le site d’université de

Bouira. Les résultats obtenus montrent le rôle important de l’éclairement, de la

température, et de la concentration comme paramètres de production d’hydrogène solaire.

L’ensemble du système montre une production durable à partir d’une source illimitée et un

procédé environnemental

MOTS-CLÉS : Hydrogène, PV- Solaire, Electrolyse, Bouira.

ABSTRACT:

About energetic aspect, hydrogen has some advantages concerning its physico-

chemical characteristics.It is a very light gas with high calorific capacity. It is odorless,

colorless, non-polluant. The hydrogen as fuel is the most promising universal energy which

its uses will havewide spread in the future. In this work we presentthe production of hydrogen

by solar water electrolysis. Photovoltaic system is used to produce hydrogen by water

electrolysis using an alkaline electrolyzer with NaCl as an electrolyte. This experiment is

realized in Université of Bouira. The results show the important role of solar radiation,

temperature, and concentration as parameters of solar hydrogen production. The whole

system shows a sustainable production from unlimited source and an environmentalprocess.

KEYWORDS: Hydrogen, Solar-PV, Electrolysis, Bouira.

Sommaire

Sommaire

Page

Nomenclature……………………………………………………………………………… I

Listes des figures………………………………………………………………………….. IV

Liste des tableaux…………………………………………………………………………. VII

Introduction générale…………………………………………………………………….. 1

Chapitre I : ETUDE BEBLIOGRAPHIQUE

I-1.INTRODUCTION………………………………….………………………………….. 3

I-2HISTORIQUE DE L’HYDROGENE ………………………………………………. 3

I-3.CARACTERISTIQUE DE L’HYDROGENE ………………………………...…… 6

I-4.PROCEDE DE PROUCTION D’HYDROGENE ………………………………. 7

I-4-1.Le vaporeformage ………………………………………….………………….. 8

A. Charge de vaporeformage …….…………………………………………… 8

B .procède de vaporeformage ………………………………………………… 9

B-1.Formation du «gaz de synthèse» (CO + H2) …….…………………. 9

B-2. Réaction gaz à l’eau…………………………………………………... 10

C. Purification de l’hydrogène ………………………………………………. 10

C-1 .la méthanisation ………………………………………………………. 10

C-2. Procédé PSA (Pressure Swing Adsorption)………………………... 11

I-4-2. L’oxydation partielle ………………………….……………………………… 12

A. charge d’oxydation partielle ……….……………………………………… 12

B. procède de production partielle ………….………………………………. 12

B-1. Production de gaz de synthèse……………………………………….. 12

B-2. Conversion du monoxyde de carbone……………………………….. 12

C. Purification de l’hydrogène………….…………………………………….. 13

I-4-3. Le réformage auto thermique …….………………………………………… 13

I-4-4. Transformation thermochimique de la biomasse…………….…………... 14

A. La gazéification …………………………………………………….………. 14

B. Détails de la technologie…………………………………………………. 14

Sommaire I-4-5. Production par électrolyse de l’eau ………………………………………. 17

I-4-6.Production par dissociation de l'eau à partir d'un réacteur nucléaire... 17

A. Principe de base…………………………………………………………….. 17

B. Détails de la technologie………………………………………………….. 18

I-4-7. Décomposition de l'eau par cycle thermochimique …………………….. 19

A. Principe de base…………………………………………………………….. 19

B. Détails de la technologie…………………………………………………... 20

I-4-8. Production par Photo-électrolyse de l'eau………………………………… 21

A. Principe de base …………………………………………………………… 21

B) Détails de la technologie………………………………………………….. 22

1-4-9.Production d'hydrogène par des micro-organismes Photosynthétiques. 23

A. Principe de base ……………………………………………………………. 23

I-5. LE STOKAGE DE L’YDROGENE ………………………………………………... 25

I-6. LES AVANTAGES ET LES INCONVENANT DE CHAQUE MODE DE STOKAGE D’HYDROGENE …………………………………………………………………………. 26

I-7. TRANSPORT DE L’HYDROGENE ……………………………………………… 26

I-7-1. Transport par route ………………………………………………………… 26

I-7-2. Transport par mer ………………………………………………………….. 27

I-7-3. Le transport de l’hydrogène par gazoducs ……………………………. 27

I-8. LES DIFFERENTES UTILISATION DE L’YDROGENE……………………... 27

Chapitre II: SYSTEME SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

II-1. INTRODUCTION ………………………………………………………………….. 30

II-2. L’ENERGIE SOLAIRE …………………………………………………………….. 30

II-2-1.Composants de la radiation solaire …………………………………….. 31

a. Rayonnement direct …………………………………………………….. 31

b. Rayonnement diffus ……………………………………………………... 31

c. Rayonnement réfléchis ………………………………………………….. 31

II-3. RAYONNEMENT SOLAIRE ………………………………………………………. 32

II-4. LE GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE …………………………………….. 33

II-4-1. La cellule photovoltaïque ………………………………………………….. 33

Sommaire II-4-1-1.Principe de fonctionnement ………………………………………... 33

II-4-1-2. Types cellules photovoltaïques …………………………………… 35

a. Les cellules monocristallines …………………………………………... 35

b. Les cellules poly cristallines ……………………………………………. 35

c. Les cellules amorphes …………………………………………………… 36

II-4-1-3.Caractéristiques des cellules photovoltaïques ………………….. 37

II-4-2. Semi-conducteur ……………………………………………………………. 38

a. Le semi conducteur de type P…………………………………………… 38

b. Le semi conducteur de type N ……………………………………….. 39

II-4-3.Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque …………………. 40

II-5. RENDEMENT DE PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE………………………… 41

II-6. LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DE L’ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE……………………………………………………………………. 41

II-6-1.Les avantages…………………………………………………………………. 41

II-6-2.Les inconvénients…………………………………………………………….. 42

Chapitre III : ELECTROLYSE DE L’EAU

III-1. INTRODUCTION………………………………………………………………….. 43

III-2. PRINCIPE GENERALE DE L’ELECTROLYSE DE L’EAU……………….. 43

III-2-1. Aspects thermodynamiques ……………………………………………… 44

III-2-1-1. La réaction globale……………………………………………... 44

III-2-1-2. Tension réversible et tension thermo neutre ………………... 44

III-2-1-3. Tension pratique ………………………………………………… 45

III-2-2. Effet de la température sur la tension d’électrolyse …………………. 46

III-2-3. Effet de la pression sur la tension d’électrolyse………………………. 47

III-2-4. Effet de la pression sur la pureté des gaz produits…………………… 48

III-3. RENDEMENTS ……………………………………………………………………. 49

III-3-1. Rendement énergétique……………………………………………………. 49

III-3-2.Rendement Faradique ……………………………………………………... 49

Sommaire III-4. LES DIFFERENTS TECHNOLOGIES D’ELECTROLYSEURS …………... 50

III-4-1. Structures mono polaires et bipolaires …………………………………. 50

III-4-2. Electrolyse alcaline ………………………………………………………. 51

III-4-2-1 .Principe ………………………………………………………….. 51

III-4-2-2. Les matériaux ………………………………………………….... 52

III-4-3. Electrolyse acide PEM (Proton Exchange Membrane) ……... 52

III-4-3-1.Principe ……………………………………………………. 52

III-4-3-2. Les matériaux …………………………………………….. 54

III-5. ELECTROLYTE A HAUTE TEMPERATURE (PCFC ou SOFC) ………….. 54

III-5-1.Principe ……………………………………………………………... 54

III-5-2. Les matériaux………………………………………………………. 56

III-6. COMPARAISON DES DIFFERENTS TECHNOLOGIES D’ELECTROLYSE 56

Chapitre IV : INSTALLATION DE SYSTEME

IV-1. INTRODUCTION………………………………………………………………….. 58

IV-2. BUT DU TRAVAIL………………………………………………………………… 58

IV-3. PRESENTATION DU SITE ……………………………………………………… 58

IV-4. ELEMENTS DU SYSTEME ……………………………………………………... 60

IV-4-1. Générateur photovoltaïque ……………………………………… 61

IV-4-2. Electrolyseur ……………………………………………………… 62

IV-4-3. Les appareils de mesures ………………………………………… 62

IV-4-3-1.Pyranomètre ……………………………………………… 62 IV-4-3-2. Multimètre ……………………………………………….. 63

a. Voltmètre …………………………………………………… 63

b.Ampèremètre ……………………………………………….. 64

IV-4-3-3. Chronomètre……………………………………………… 64

IV-4-3-4. Thermomètre …………………………………………….. 64

IV-5 PARTIE EXPERIMENTALE ……………………………………………………… 65

IV-5-1.Premier partie……………………………………………….. 65

Sommaire IV-5-1-1. Caractéristique du module solaire KPV-170……. 65

IV-5-1-2. Optimisation des paramètres d'électrolyseur …… 65

A. Le choix d’électrolyte ………………………………… 66

B. l’effet de la concentration d’électrolyte …………… 66

C. l’effet de la température de la solution …………… 67

IV-5-2.Deuxième partie …………………………………………….. 67

IV-5-3 .Paramètres de calcul ……………………………………… 68

Chapitre V : RESULTATS ET INTERPRETATION

V-1.INTRODUCTION …………………………………………………………………… 70

V-2. CARACTERISTIQUE COURANT-TENSION …………………………………. 70

V-2-1.Etude des caractéristiques IPV-VPV des panneaux solaires ………….. 70

V-2-2.Etude des caractéristiques de puissance de module solaires ……….. 70

V-2-3.Le rendement du module PV ……………………………………………… 71

V-3. ETUDE DES CARACTERISTIQUE DE L’ELECTROLYSEUR…………….. 72

V-3-1.Choix d’électrolyte…………………………………………………………. 73

V-3-2.Effet de la concentration d’électrolyte…………………………………… 74

V-3-3.Effet de la température de l’électrolyte …………………………………. 76

V-3-4.Rendement énergétique et Faraday de l’électrolyse……………………. 77

a-Rendement énergétique …………………………………………………... 77

b-Rendement Faradique ……………………………………………………. 78

V-4. ETUDE DE COUPLAGE PV-ELECTROLYSEUR ……………………………. 79

V-4-1.Etude du rayonnement solaire ……………………………………………. 80

V-4-2.La variation de déférents paramètres en fonction de temps ………… 81

V-5. EVOLUTION DU RENDEMENT ……………………………………………….. 83

V-6.LE RENDEMENT DE SYSTEME ………………………………………………… 84

Sommaire

V-7.BILAN ENERGETIQUE …………………………………………………………… 85

V-7-1.Bilan énergétique arrondi de la décomposition d'Une molécule d'eau 85

V-7-2.Etude énergétique de notre installation ………………………………….. 85

V-7-3.Calculer l’énergie produit …………………………………………………. 86

V-7-4.Calculer l’énergie consommée ……………………………………………. 86

V-8.LES AVENTAGES ET LE LES INCONVENIENTS DU SYSTEME 87

CONCLUSION GENERALE ……………………………………………... 88

BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………….. 90

Nomenclature

Page I

Nomenclature

Symbole Définition Unité

c la vitesse de la lumière 300 000 000m/s

E éclairement solaire W/m2

Ef énergie de futon J

Erev voltage réversible pour électrolyser l’eau V

Eth tension thermoneutre V

e charge d’électron 1,6.10 − 19 C

F constantes de faraday 96487 C/mol

Le flux d’hydrogène produit par l’électrolyseur mol s-1

h constante de Planck 6,62606957×10-34J⋅ s

I Le courant fourni par la cellule A

I0 Le courant de saturation inverse d’une diode. A

ID Le courant traversant la diode. A

IG PV le courant du générateur PV A

IP Le courant dérivé par la résistance parallèle. A

Iph le photo-courant de la cellule /

Isc courant de court circuit A

K constante de Boltzmann 1,381.10 − 23J/K

m masse kg

NP les nombres des modules en parallèle. /

NS les nombres des modules en série. /

n Facture de non idéalité de la jonction comprise entre 1 et 5

ne nombre d’électrons /

Nomenclature

Page II

P pression Pa

PCS pouvoir calorifique supérieure J/m3

Pm Puissance absorbé par l’électrolyseur W

PPM la puissance maximale de la cellule W

Pu Puissance utile par l’électrolyse W

Q le débit m3/s

Rp la résistance shunt Ω

Rs la résistance série Ω

S la surface du panneau photovoltaïque. m2

T température C°, K

t temps s

V la tension fournie par la cellule. V

VG PV la tension du générateur PV V

Volume d’hydrogène m3

Voc tension de circuit ouvert V

La tension thermique. V

W énergie électrique consommée J

Wr énergie réelle J

Wt énergie théorique J

∆G° L’énergie libre kj/mol

∆H° Enthalpie libre kj/mol

ɛ Rendement énergétique /

ɛF Rendement Faradique /

ηa surtension anodique V

ηc surtension cathodique V

Nomenclature

Page III

ηe Rendement d’électrolyseur /

ηg Rendement globale /

Rendement de panneau photovoltaïque /

ηu Rendement d’adaptation /

Liste des tableaux

Page VII

Liste des tableaux

Tableau Titre de tableau Page

Tableau 1 : Caractéristiques de l'hydrogène………………………………………………… 7

Tableau 2 : Compositions type des gaz en sortie de vaporeformage…………………….. 10

Tableau 3 : Différentes étapes du vaporeformage…………………………………………… 12

Tableau 4 : Les étapes de l’oxydation partielle pour les procèdes Texaco et Shell……. 14

Tableau 5 : Avenages et inconvenants de chaque mode de stockages d’hydrogène…… 27

Tableau 6 : Les déférentes utilisations d’hydrogène……………………………………….. 29

Tableau 7 : Caractéristiques des cellules photovoltaïques ……………………………….. 38

Tableau 8 : Avantages et inconvenants des différents technologies d’électrolyse…….. 58

Tableau 9 : Caractéristiques de module solaire photovoltaïque KPV-170…………….. 62

Tableau (10) : les avantages et les inconvénients du système de production d’hydrogène. 88

solaire.

Liste des figures

Page IV

Liste des figures

figure Titre de la figure page

(I-1)

(I-2)

(I-3)

(I-4)

(I-5)

(I-6)

(I-7)

(II-1)

(II-2)

(II-3)

(II-4)

(II-5)

(II-6)

(II-7)

(II-8)

(III-1)

(III-2)

(III-3)

(III-4)

(III-5)

(III-6)

(III-7)

(III-8)

Procède de production d’hydrogène

Transformation thermochimique de la biomasse

Réacteur nucléaire à très haute température

principes de cycle iode/soufre

Schéma de principe de la décomposition photochimique de l’eau

bio-production d’hydrogène

les types de stockages d’hydrogène

Composantes du rayonnement solaire

Spectre de rayonnement solaire

Coupe transversale d’une cellule PV.

Caractéristique courant – tension d’une cellule photovoltaïque.

les déférentes cellules photovoltaïques

Le semi conducteur de type P

Le semi conducteur de type N

Schéma équivalent de cellule PV

électrolyseur de l’eau

irréversibilités présentes dans une cellule d'électrolyse

influence de la température sur la tension de cellule d’un

électrolyseur alcalin

influence de la pression sur la tension de cellule d’un

électrolyseur alcalin à technologie ‘zéro gap’

influence de la pression et de l’intensité sur la pureté des gaz

produit par électrolyse alcaline

L’électrolyse alcaline

L’électrolyse PEM

principe de l'électrolyse à haute température selon le type

d'électrolyte

9

17

19

22

23

25

26

32

33

34

35

27

39

40

41

44

46

47

48

49

52

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56

Liste des figures

Page V

(IV-1)

(IV-2)

(IV-3)

(IV-4)

(IV-5)

(IV-6)

(IV-7)

(IV-8)

(IV-9)

(IV-10)

(IV-11)

(IV-12)

(IV-13)

(V-1)

(V-2)

(V-3)

(V-4)

(V-5)

(V-6)

(V-7)

(V-8)

(V-9)

(V-10)

(V-11)

Situation de la Wilaya de Bouira

Données climatiques de la région de Bouira

Montage de l’expérience

Module solaire photovoltaïque KPV-170

L’électrolyseur utilisé

Pyranomètre

Voltmètre

Ampèremètre

Chronomètre

Thermomètre

Montage électrique de l'expérience d’étude des caractéristiques I-

V des PV

montage servant a déterminé les caractéristiques d’électrolyseur

Système électrolyseur-panneaux PV

caractéristique courant-tension du module solaire

Courbe de puissance du module solaire

Evolution de production d’hydrogène en fonction du courant

d’électrolyseur

Evolution de production d’hydrogène en fonction temps pour

déférents électrolytes.

Evolution de volume d’hydrogène produit en fonction de temps

pour des déférentes concentrations de NaCl.

Evolution de courant électrique (I) en fonction des déférentes

concentrations de NaCl.

Evolution du volume d’hydrogène produit en fonction de temps à

différentes température initiale de la solution NaCl

Evolution du courant d’électrolyseur en fonction de temps à

différentes température initiale de la solution NaCl

Eclairement solaire pour deux plans (plan incliné à 45° et plan

horizontal)

variation de l’éclairement E et la puissance PV mesurés.

La variation de l’éclairement E et la puissance Pe mesurés

60

61

61

62

63

64

64

65

65

65

66

67

68

71

72

74

75

76

76

77

78

81

82

83

Liste des figures

Page VI

(V-12)

(V-13)

(V-14)

La variation de l’éclairement E et le débet d’hydrogène mesurés.

du rendement PV, et rendement d’électrolyseur en fonction du

temps.

Evolution du rendement du système PV-électrolyseur en fonction

du temps

83

84

85

Introduction generale

Introduction générale

Page 1

INTRODUCTION GENERALE :

Le secteur de l’énergie est aujourd’hui confronté à plusieurs défis majeurs, dû

particulier a une hausse de la demande mondiale d’énergie ; d’après l’Agence Internationale

de l’Énergie (AIE) qui affirme qu’elle atteindra une moyenne de 1,6%/an dans le monde d’ici

à 2030.

Cette hausse est combinée avec la nécessité de fournir de l’énergie à une part

importante de la population mondiale qui y a peu ou par accès ; les réserves de pétrole et de

gaz couvrent encore respectivement plus de 40 et 65 années de production mondiale selon

l’AIE. On observe en parallèle la dépendance quasi exclusive des transports envers les

carburants fossiles. Une accélération du réchauffement climatique, à laquelle contribue de

façon importante les émissions de gaz à effet de serre généré par le secteur de l’énergétique

et du transport. Les modèles climatiques prévoient d'ici à la fin de ce siècle un réchauffement

probable de la planète d'environ 1,8 à 4°C d'ici 2100, voir jusqu’à 6,4°C dans les hypothèses

extrêmes.

Quoique plusieurs témoignages de grands visionnaires qui dattes des siècles révolus;

comme Thales de Miletus 625-547 B.C qui a dit « L'élément primitif de toute chose est l'eau,

toute chose provient de l'eau et retourne à l'eau » et Jules Verne “L’île Mystérieuse 1874”

qui a dit aussi « Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible,

que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément,

fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne

saurait avoir ». Le recours à l’hydrogène (H2) comme vecteur énergétique et comme l’une des

solutions envisagées pour l’avenir énergétique a pris du temps avant de solliciter

l’importance d’envergure qu’il mérite.

Il est vrai que l’hydrogène(H) est l’un des éléments les plus abondants sur Terre, mais

il n’est pas disponible à l’état pur dans la nature. On ne le trouve que sous forme combinée

(dans l’eau H2O, dans les hydrocarbures CnHm, etc…). Il est donc nécessaire de dépenser de

l’énergie pour produire l’hydrogène, avant de pouvoir l’utiliser pour la production d’énergie.

On parle donc de vecteur énergétique et non pas de source d’énergie.

Introduction générale

Page 2

De plus les produits de sa combustion sont non polluants, Il conduit à une meilleure

utilisation des ressources ce qui signifie qu’on retire une plus grande quantité d'énergie que

la plupart des combustibles actuels comme Il peut servir de moyen de transport et de stockage

d'énergie. C’est pour c’est raisons en plus des raisons économiques et écologiques que

l'heure de l'hydrogène en tant que vecteur énergétique semble venu.

Pour que l’hydrogène puisse s'imposer, il faudra apporter des réponses à la question cruciale

qui se posent encore, comment le produire ? C'est dans ce contexte que plusieurs axes de

recherches sont lancés ; sachant que Les méthodes permettant de produire de l'hydrogène

sont nombreuses, nous avons porté notre choix sur la production par électrolyse de l'eau ;

tout comme on a fait le choix d’une l'alimentation en courant électrique notre unité.

Nous allons étudier plus particulièrement l’utilisation de l'énergie solaire (énergie

renouvelable et inépuisable) photovoltaïque qui vise à transformer l'énergie rayonnée par le

soleil en énergie électrique.

Afin de bien présenté notre travail on a adopté l’organisation suivante : après une

étude bibliographique, nous passerons à l'étude et l’explication du choix de tous les éléments

de notre unité de production, enfin on entamera la manipulation expérimentale de notre

système et l’explication des résultats obtenus.

CHAPITRE I Etude bibliographique

CHAPITRE I : Etude Bibliographique

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I-1. INTRODUCTION :

L’hydrogène pouvant être produit à partir des énergies fossiles pétrole, gaz ou

charbon à partir d'eau grâce aux énergies renouvelables hydrauliques, solaire ou éolien

ou grâce au nucléaire, ou encore à partir de la biomasse, le gaz dihydrogène (de

symbole H2, appelé communément hydrogène) est un vecteur d'énergie universel. Ses

différents moyens de synthèse ont comme principaux avantages de pouvoir produire

l'hydrogène dans n'importe quel endroit du globe en fonction des sources d'énergie

localement disponibles

I-2HISTORIQUE DE L’HYDROGENE :

De l’Antiquité au siècle des lumières, tous les savants ont été convaincus que l’univers

était constitué de quatre éléments : l’eau, la terre, l’air et le feu. Après une vingtaine de

siècles, des doutes s’insinuent ; ainsi au XVIème, le philosophe et médecin suisse Paracelse

(1493 – 1541), qui était aussi alchimiste et physicien, se demande si "l'air" qui se dégage lors

de la réaction du vitriol sur le fer est bien identique à l'air que nous respirons.

Robert Boyle (1627 – 1691) isole cet "air" au siècle suivant, puis Henry Cavendish (1731 –

1810), physicien et chimiste britannique, reprend les travaux de Paracelse avec différents

métaux. En 1766, il recueille d'importantes quantités de gaz dans des vessies de porc et

montre que ce gaz, "l'air inflammable", brûle dans l'atmosphère en produisant de l'eau.

Puis, les expériences d’Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794), assisté de Pierre

Simonet Jean Baptiste Meusnier de La Place, fondent la chimie moderne et donnent une

interprétation des résultats précédents grâce à la synthèse de l'eau effectuée le 24 juin

1783 en présence de Sir Charles Bogden, Secrétaire de la Royal Society. Cela lui

permit d'écrire, dès le lendemain, à l'Académie des Sciences française, après la

description de l'expérience : "nous ne balançâmes pas à en conclure que l'eau n'est pas

une substance simple et qu'elle est composée, poids pour poids, d'air inflammable et d'air

vital". Cet air inflammable qui, avec l’oxygène, l’air vital, composait l’eau, est l’hydrogène,

nom signifiant : « qui produit de l’eau ». En avril de l'année suivante, Lavoisier et

Meusnier présentent à l'Académie un


Page 4

procédé quasi industriel de production d'hydrogène en grande quantité par action de

l'eau sur le "fer au rouge"

Il s’agissait en fait d'une oxy-réduction du fer et d’une réduction de l'eau, par la réaction:

H2O + Fe FeO + H2

Cavendish avait également mis en évidence la faible densité de l'hydrogène, résultat

retrouvé par le physicien et chimiste français Jacques Alexandre Charles (1746- 1823),

lequel l’expérimente sur des bulles de savon. Ces expériences sont connues des frères

Montgolfier, fabricants de papier à Annonay près de Lyon, qui se passionnent pour la

navigation aérienne. Ils font quelques essais avec de "l'air inflammable" dont ils gonflent de

petits ballons de papier et de tissu de soie, mais constatent que la force ascensionnelle n'est

que momentanée "parce que le gaz se perd à travers les parois". Par suite, leurs travaux sont

réorientés vers l'air chaud, ce qui conduira à la très célèbre montgolfière. Un vol de

démonstration de cette machine avec des animaux est présenté au roi de France le 13

septembre 1783, et est suivi par le premier vol humain, avec Pilastre de Rozier et le Marquis

d'Arlande, le 21 novembre de la même année.

De son côté, J. A. Charles persévère dans son idée d’utiliser l’hydrogène pour les aérostats

des frères Montgolfier et, le 27 août 1783, fait voler devant 300 000 spectateurs rassemblés

aux Tuileries, un ballon gonflé à l'hydrogène .De proche en proche, cela amènera, en

juin 1794, aux premières observations aériennes avec le ballon "l'Entreprenant" qui,

depuis une altitude de 300 mètres, a permis à l'Etat Major des armées de la Révolution

française de déjouer, en plusieurs points, les mouvements de l'armée autrichienne et, en

définitive, de remporter la bataille de Fleurus.


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De nombreuses découvertes suivirent : en 1804, le français Louis Joseph Gay Lussac

et l'allemand Alexander Von Humboldt démontrent conjointement que l'eau est composée

d'un volume d'oxygène pour deux volumes d'hydrogène et,

en 1839, William Grove découvre le principe de la pile à combustible. Puis, à la fin du

XIXème siècle, indépendamment l'un de l'autre, le suisse Adolphe Pictet et le français Louis

Paul Cailletet liquéfient l'oxygène. Puis, à la suite de ces

travaux, le Professeur Sigismond Wroblewski, de l'Université de Cracovie, réussit la

première liquéfaction de l'hydrogène, et c'est l'écossais James Dewar qui parvient, le 12

mai 1898, à récupérer ce liquide en un bain statique stable. Enfin, les allemands Fritz Haber

(Prix Nobel en 1918) et Carl Bosch (Prix Nobel en 1931) inventent le procédé de synthèse

de l'ammoniac, qui est perfectionné ensuite par le français Georges Claude, fondateur,

en 1902, de la société L’Air Liquide, Société pour l’Exploitation des Procédés Georges

Claude, devenue Air Liquide. L’hydrogène devient alors une matière première de

l’industrie chimique qui, aujourd’hui, outre la synthèse de l’ammoniac, est utilisée dans

de nombreux secteurs (pétrochimie, fabrication d’amines, de méthanol, d’eau oxygénée,

industrie alimentaire, etc.).

C’est également au début du XIXème siècle que l’hydrogène a de nouveau été mis en valeur

en tant qu’énergie lors de l’apparition de l’éclairage au gaz, issu de la distillation du

bois suivant le procédé mis au point par Philippe Lebon(1767 – 1804) et dont la

première démonstration fut faite à Paris en 1803. L’élément combustible de ce gaz était en

effet l’hydrogène qui s’y trouvait en proportion de 40 à 60%, les autres éléments étant, pour

l’essentiel, du monoxyde de carbone, accompagné de gaz carbonique et de méthane. Le bec

de gaz, moyen novateur d’éclairer la ville, s’imposa peu à peu tout au long du siècle. Chaque

cité se dota d’un dispositif complet allant de l’usine à gaz au réseau de distribution grâce à la

mise en place d’une infrastructure en sous-sol qui, après avoir été employée pour l’éclairage

public, devint peu à peu l’outil de la distribution d’énergie calorifique et motrice, dans les

immeubles en particulier.

La science de l'hydrogène, née en Europe et plus particulièrement en France, a

continué à stimuler les esprits en particulier en raison de son fort pouvoir énergétique.


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Ainsi vers 1960, on y étudie un moteur-fusée à hydrogène, qui fonctionne en 1968 et est le

premier spécimen connu hors des Etats-Unis. Ce succès est une des raisons de la réussite du

lanceur européen de satellites Ariane, qui utilise, dès l'origine, un étage supérieur

cryotechnique. Cet essor du moteur de fusée à hydrogène durant la seconde moitié du

XXème siècle peut, sans nul doute, être considéré comme l’un des éléments précurseurs

de l’ère de l’hydrogène énergie.

I-3.CARACTERISTIQUE DE L’HYDROGENE :

C'est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est le plus léger de tous les corps dans des

conditions normales de température et de pression. Il est quatorze fois moins lourd que l'air,

sa densité par rapport à l'air étant de 0,07.

Propriété Valeur numérique

PCI (pouvoir calorifique inférieur) 119930kj/kg

PCS (pouvoir calorifique supérieur) 141860kj/kg

Densité gazeuse a 20.3K 1,34kg/m3

Densité gazeuse a 273K 0,08988kg/Nm3

Densité liquide a 20.3K 7,79kg/m3

Chaleur spécifique (Cp) 14 266j/kg k

Chaleur spécifique (Cv) 10 300j/kg k

Conductivité thermique de gaz 0,1897w/ (mk)

Chaleur d’évaporation 445,4kj/kg

Energie théorique de liquéfaction 14 112j/g

Electronégativité (Pauling) 2,1

Masse atomique 1,0079

Constante de gaz 4 124,5j/kg k

Température de solidification 14 ,01k

Température d’ébullition (1013mbar abs) 20,268k

Température critique 33,30k

Température d’auto inflammation dans l’air 858k

Température de flamme dans l’air 2 318k

Limite d’inflammabilité dans l’air (vol%) 4-75


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Limite de détonation dans l’air (vol%) 13-65

Energie minimale d’inflammation 20j

Energie explosive theorique 2,02(kg de TNT/m3 de gaz)

Surpression de détonation 14,7 bar

Coefficient de diffusion dans l’air 0,61 cm/s

Vitesse de flamme dans l’air 260cm/s

Vitesse de détonation dans l’air 2km/s

Mélange stœchiométrique dans l’air (vol) 29,53%

Tableau 1 : Caractéristiques de l'hydrogène

I-4. PROCEDE DE PROUCTION D’HYDROGENE :

Aujourd’hui 96 % de l'hydrogène est produit a partir des énergies fossiles (48 % a partir de

gaz naturel, 30 % des hydrocarbures liquides, 18% du charbon).

En raison tout d’abord de leur intégration dans l’industrie pétrolière qui est l’une des

premières consommatrices d’hydrogène. Les autres raisons sont, bien entendu, leur

disponibilité actuelle ainsi que leur réactivité chimique et

le coût global de production.

La matière première prédominante est logiquement le gaz

naturel constitué principalement de méthane (de formule

chimique CH4 soit 4 atomes d’hydrogène pour 1 atome de

carbone, ce taux d’hydrogène par rapport au carbone est le plus

important par rapport à tous les autres hydrocarbures). D’autres hydrocarbures peuvent

aussi être utilisés.

Les principales voies de production à partir des hydrocarbures retenues au stade industriel

passent par la production de syngaz, ou gaz de synthèse, qui est un mélange d’hydrogène et

de monoxyde de carbone (H2 + CO). Actuellement l’hydrogène est utilisé comme matière

première dans l’industrie chimique et pétrochimique. Sa production est donc généralement

associée à d’autres unités présentes pour minimiser les coûts énergétiques et matériels. Par

exemple dans la production d’ammoniac, le CO2 issu des étapes précédentes de fabrication

d’hydrogène est utilisé pour produire de l’urée à partir de l’ammoniac.

Les déférentes méthodes de synthèse de l’hydrogène vont fortement dépendre de sa source et

sont décrits ci-dessous :

Figure I

L'ensemble de ces voies de production ainsi que leurs améliorations et innovations sont

détaillées ci-dessous.

I-4-1. le vaporeformage :

Le vaporeformage, ou reformage à la vapeur, consiste à transformer les hydrocarbures en

gaz de synthèse par réaction avec de la vapeur d’eau et en présence d’un catalyseur à base de

nickel, à haute température (840 à 950°C) et à pression modérée (20 à 30 bar

synthèse obtenu n’est pas un mélange simple d’hydrogène et de monoxyde de carbone. Du fait

des différentes réactions mises en jeu, il contient également du dioxyde de carbone, du

méthane et de l’eau (H2 + CO + CO

A. charge de vaporeformage :

Les charges classiquement utilisées sont les hydrocarbures légers qui incluent le gaz naturel,

le GPL et le naphta jusqu’à des points

utiliser des alcools comme le méthanol ou l’éthanol

Ses différentes charges hydrocarbonées contiennent généralement du soufre, qui est un

poison pour le catalyseur utilisé dans l’opération de vaporeformage.

fossiles

vaporeformage

d’oxydation partielle.

Reformage autothermique


Figure I-1 Procède de production d’hydrogène


, ou reformage à la vapeur, consiste à transformer les hydrocarbures en


température (840 à 950°C) et à pression modérée (20 à 30 bar



+ CO + CO2 + CH4 + H2O) ainsi que des hydrocarbures résiduels.

:


le GPL et le naphta jusqu’à des points d’ébullition de 200 à 220°C. On peut également

utiliser des alcools comme le méthanol ou l’éthanol.

es différentes charges hydrocarbonées contiennent généralement du soufre, qui est un

poison pour le catalyseur utilisé dans l’opération de vaporeformage.

Hydrogène

vaporeformage

autothermique

Biomasse

Transformation thermochimique

Eau

Electrolyse.

réacteur nucliaire

Thermochimie

photo-electrolyse

Photosynthése

I : Etude Bibliographique

Page 8


, ou reformage à la vapeur, consiste à transformer les hydrocarbures en


température (840 à 950°C) et à pression modérée (20 à 30 bars). Le gaz de



O) ainsi que des hydrocarbures résiduels.


d’ébullition de 200 à 220°C. On peut également

es différentes charges hydrocarbonées contiennent généralement du soufre, qui est un


Page 9

Avant l’étape de vaporeformage proprement dite, il est donc nécessaire de procéder à une

désulfuration de la charge pour atteindre des teneurs en soufre inférieures à 0,5 ppm en

masse. L’opération de désulfuration consiste à faire réagir la charge avec de l’hydrogène

pour obtenir des hydrocarbures et du sulfure d’hydrogène.

B. procède de vaporeformage :

Le procédé comporte trois grandes étapes:

Production d’un mélange CO/H2 appelé « gaz de synthèse »

Réaction gaz à l’eau (transformation de CO en H2)

Purification de l’hydrogène

B-1. Formation du «gaz de synthèse» (CO + H2) :

Une fois la charge désulfurée, la réaction générale de vaporeformage est la suivante:

CxHyOz + (X-Z) H2O (X -

- Z) H2 + xCO ……..(1)

Cette réaction est endothermique et se caractérise par un rapport stœchiométrique H2/CO de

l’ordre de 3. Elle est accompagnée d’un certain nombre de réactions secondaires conduisant

à la formation de méthane CH4, de dioxyde de carbone CO2 et de carbone C. La quantité

d’hydrogène produit dépend de la charge de vaporeformage. Des compositions types des gaz

en sortie de vaporeformage sont données dans le tableau suivant :

Composition (%vol)

Méthane Gaz naturel GPL Naphta

CH4 3,06 2,91 2,39 2,12

CO 12,16 12,62 13,62 14,17

CO2 9,66 10,40 12,73 14,19

H2 75,12 73,98 71,86 69,52

N2 _ 0,09 _ _

Tableau 2 : compositions type des gaz en sortie de vaporeformage


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B-2. Réaction gaz à l’eau (transformation de CO en H2 a T de 200 à 400°C) :

La réaction de vaporeformage est suivie d’une réaction dite « Water Gas Shift » qui consiste

à convertir le monoxyde de carbone CO en dioxyde de carbone CO2 selon l’équilibre suivant:

CO + H2O CO2 …….(2)

Cette réaction est légèrement exothermique et plus ou moins complète, selon sa réalisation en

1 ou 2 étapes. Ces étapes sont les réactions d’igh Température et de Low température shift

respectivement effectuées vers 400 et 200°C. On obtient alors un gaz avec essentiellement H2,

CO2 (16 à 20% en volume), H2O, un peu de CO et du CH4.

C. Purification de l’hydrogène :

Cette étape consiste à séparer le CO2 et l’hydrogène puis à éliminer les dernières traces

d’impuretés, principalement le méthane et le sous-produit CO2.

Deux voies de purification de l'hydrogène sont industriellement possibles : la méthanisation

et l’adsorption sélective sur tamis moléculaires par procédé PSA (pressure swing adsorption,

adsorption modulée en pression).

C-1. La méthanisation :

Deux étapes distinctes se succèdent : la décarbonatation et la méthanisation. La première, qui

consiste à éliminer le CO2 par des procédés aux éthanols amines ou aux carbonates, conduit

à un taux résiduel de CO2 de 0,005 à 0,1 % en volume. Ensuite, la méthanisation du CO et du

CO2 résiduaires se déroule suivant les réactions :

CO + 3 H2 → CH4 + H2O……. (3)

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O……. (4)

Elle assure des teneurs finales inférieures à 0,001 % en volume d’impuretés. Pour cette voie

de purification, des conditions opératoires sévères sont nécessaires pour obtenir une pureté

de l’hydrogène supérieure à 97% vol. De plus, le rendement de production d'hydrogène est

réduit car une partie de l'hydrogène est utilisée pour cette méthanisation.


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C-2. Procédé PSA (Pressure Swing Adsorption) :

La PSA ne comporte pas d’étape de décarbonatation. Autrement dit, cette purification de

l’hydrogène par adsorption sélective des impuretés par des tamis moléculaires est effectuée

directement sur le gaz de synthèse qui contient 65 à 70 % d’hydrogène, après conversion du

CO. Suivant un principe analogue, le vaporeformage peut convenir à des charges

hydrocarbonées plus lourdes sachant qu’alors, le gaz de synthèse obtenu est moins riche en

hydrogène et contient plus de CO et de CO2. Dans cette voie de purification, il est possible

d’obtenir une pureté d’hydrogène de 99,9% vol. Quelle que soit la charge. Autrement dit, des

conditions opératoires modérées, qui conduisent à une teneur en méthane résiduel de 3 à 8%,

sont suffisantes. La voie PSA permet d’obtenir de l’hydrogène plus pur mais en quantité

inférieure à la voie par méthanisation.

On peut représenter les différentes étapes du vaporeformage pour les deux voies

(méthanisation et pressure swing adsorption) dans le tableau suivant:

Tableau 3 : différentes étapes du vaporeformage

Etape Méthanisation PSA

1- Production de gaz de synthèse (vaporeformage)


- Z)

H2 + xCO


- Z)

H2 + xCO

2-Conversion du CO en H2 et CO2 (water-gas shift unit)

CO + H2O CO2

(CO résiduel 0,3 à 0,8% vol)

CO + H2O CO2

(CO résiduel 1% ou 2 à 3% )

3-Elimination du CO2 Décarbonatation -amines (MDEA ou MEA) -carbonate chaud (CO2 résiduel 0,005 à 0,1%)

4-Purification de l’H2 Méthanisation du CO et CO2 résiduaires

CO + 3 H2 → CH4 + H2O CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O

Adsorption sélective (PSA)

Remarque -Purete de l’H2 -Taux de récupération de H2 (à partir du gaz de synthèse)

95 à 98%

98%

99,9%

85 à 90%


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I-4-2. L’oxydation partielle :

L’oxydation partielle consiste à transformer les hydrocarbures en gaz de synthèse par

oxydation ménagée en présence d’oxygène. Cette réaction a lieu à haute température (1200 à

1500°C) et pression élevée (20 à 90 bars) .Elle conduit, à l’instar du vaporeformage, à la

production de gaz de synthèse. En revanche, la réaction est exothermique et se déroule avec

ou sans catalyseur en fonction de la charge et du réacteur utilisé.

Il existe aujourd’hui deux grands procédés d’oxydation partielle qui diffèrent par la mise en

œuvre concrète des réactions : le procédé Shell et le procédé Texaco. Le mode de traitement

de la chaleur n’est pas non plus le même : récupération de chaleur par contact pour Shell et

refroidissement par trempe pour Texaco. A. charge d’oxydation partielle :

Le procédé d’oxydation partielle permet de traiter n’importe quelle charge gazeuse, liquide

ou solide. Les charges classiquement utilisées sont les hydrocarbures lourds et les résidus

pétroliers. On peut également utiliser le coke de pétrole ou le charbon, mais on parle alors

plutôt de gazéification.

B. précède d’oxydation partielle :

B-1.Production de gaz de synthèse :

CxHy + (x/2) O2 → xCO + (y/2) H2……. (5)

Cette réaction est exothermique correspond à l’oxydation partielle proprement dite qui est en

fait une oxydation totale menée en défaut d’oxygène par rapport à la stœchiométrie de

combustion.

Le gaz de synthèse est composé de : 46 % d’H2, 46 % de CO, 6% de CO2, 1% de CH4 et 1%

de N2 (pour m faible on a du charbon; m élevé on a du pétrole).

B-2. Conversion du monoxyde de carbone :

x CO + x H2O → x CO2 + x H2…….(6)

Bilan des deux réactions :

CxHy + xH2O + (x/2)O2 → xCO2 + (x+y/2)H2…….(7)

Bien souvent, le gaz de synthèse doit être désulfuré car il contient des produits soufrés,

essentiellement de l'H2S et un peu de COS provenant du soufre initialement présent dans la


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charge (résidus pétroliers lourds). Cette désulfuration, selon le procédé, se fait soit avant

(procédée Texaco), soit après (procédé Shell) la conversion du CO.

C. Purification de l’hydrogène :

Par décarbonatation et adsorption par variations de pressions.

Les différentes étapes de deux technologies Shell et Texaco sont présentées dans le tableau

suivant:

Etape

Texaco

Shell

1/ Production de gaz de synthèse (oxydation partielle)

CxHy + (x/2) O2 → xCO + (y/2) H2

CxHy + (x/2) O2 → xCO + (y/2) H2

2/ Conversion de CO en H2 et CO2 + désulfuration.

x CO + x H2O → x CO2 + x H2

puis désulfuration

Désulfuration puis

x CO + x H2O → x CO2 + x H2

3/ Elimination de CO2

Décarbonatation

Décarbonatation

4/ purification de H2

-Méthanisation de CO et CO2 résiduaires Ou -PSA

Méthanisation ou PSA CO + 3 H2 → CH4 + H2O

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O

Adsorption sélective

Méthanisation ou PSA CO + 3 H2 → CH4 + H2O

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O

Adsorption sélective

Remarques -Pureté de H2

-Taux de récupération de H2

(à partir de gaz de synthèse)

99 .9% (PSA)

85 à 88% (PSA)

99 .9% (PSA)

85 à 88% (PSA)

Tableau 4 : Les étapes de l’oxydation partielle pour les procèdes Texaco et Shell. I-4-3. Le reformage auto thermique :

Ce procédé, aussi appelé procédé auto-therme catalytique, consiste à compenser, dans un

même réacteur à lit fixe, les réactions endothermiques du vaporeformage par les réactions

exothermiques de l’oxydation partielle.

Dans ce procédé, le gaz naturel et l’oxygène sont mélangés à de la vapeur d’eau avant d’être

préchauffés puis dirigés vers le réacteur pour la production de gaz de synthèse.

Les conditions opératoires sont généralement une pression entre 20 et 60 bars, une

température entre 900 et 1100°C et l’utilisation n d’un catalyseur au nickel.


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La composition standard du gaz obtenu est : H2 68%, CO 20%, CO2 10% ainsi qu’un peu de

CH4 et de N2. Les étapes suivantes de purification sont les mêmes que celles décrites

précédemment (Water Gaz shift puis décarbonatation et

Méthanisation ou PSA).

I-4-4. Transformation thermochimique de la biomasse :

La biomasse représente l'ensemble des matières organiques qui pourrait devenir des sources

d'énergie. Elle est obtenue par photosynthèse de CO2 et H2O et elle capte l’énergie solaire

pour produire un ensemble de molécules, cellulose, lignocellulose et lignine, de composition

équivalente à C6H9O4.Il est ensuite possible de restituer cette énergie stockée sous forme de

combustible ou de carburant par des transformations plus ou moins efficaces sur les plans

énergétiques et économiques.

La transformation thermochimique convient particulièrement à la valorisation des produits

lignocellulosiques comme le bois ou la paille. Cette filière, qui conduit à la gazéification des

substances organiques, comporte une succession d'opérations nécessitant simultanément le

transfert de grandes quantités de chaleur et le contrôle de la proportion et du temps de

contact des réactifs en présence.

A. La gazéification :

La gazéification est une combustion partielle d’une matière organique (charbon, biomasse)

en présence d’air ou d’oxygène dont les quantités disponibles ont été volontairement limitées.

Cette transformation partielle produit du gaz de synthèse riche en hydrogène.

B. Détails de la technologie :

Après l'opération de séchage de la biomasse (voir figure I-2) (opération très endothermique),

la thermolyse consiste en la dégradation thermochimique des produits en l'absence

d'oxygène. Vers 500 à 600°C, seul 30% de leur masse d'origine demeure sous forme solide et

représente le charbon de bois, essentiellement constitué de carbone alors que le reste de leur

masse est devenu gazeux. Ce premier traitement est suivi d’une gazéification à la vapeur

d’eau ou à l'air vers 900°C à 1000°C. L'oxygène réalise une oxydation plus ou moins

complète du carbone en produisant du gaz de synthèse CO + H2 et CO2 dont on peut tirer des

carburants liquides (méthanol ou hydrocarbures), ou gazeux (CH4 ou H2).


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L'oxygène pur étant cher, l'utilisation d'air, à ce stade est peu coûteuse mais introduite dans

le produit de l'azote indésirable (formation d'oxyde d'azote NOX).

En utilisant la vapeur d'eau en tant que réactif, une quantité supplémentaire d'hydrogène est

récupérée néanmoins un moyen de chauffage annexe doit être employé. L'obtention d'un gaz

de bonne qualité et non corrosif est essentielle pour ces applications (notamment la pile à

combustible) et nécessite l'élimination des acides et des goudrons à forte masse moléculaire.

Un étage supplémentaire de rectification et craquage, vers 1200 à 1300°C (ou catalyse vers

800 à 900°C) peut donc s'avérer nécessaire pour éliminer les dernières traces d'impuretés.

L'utilisation d'un étage supérieur à haute température permet d'éviter la fusion des cendres et

des résidus (mâchefer) constatées vers 900 et 1000°C et aussi de réaliser simultanément le

reformage du méthane résiduel en CO et H2. Enfin, il est ensuite possible de raffiner et

purifier le gaz de synthèse pour en extraire l'hydrogène qui servira de carburant notamment

pour les piles à combustibles globalement, l'ensemble des réactions peut se traduire par :

C6H9O4 + 2 H2O → 6 CO + 6,5 H2…….(8)

Dans le cas où on veut privilégier la production d'hydrogène, un supplément d’hydrogène est

obtenu par la réaction dite de "gas shift" :

6 CO + 6 H2O → 6 CO2 + 6 H2…….(9)

Sur les 12,5 molécules d’hydrogène finalement obtenues, 4,5 seulement proviennent de la

biomasse et 8 sont apportées par l’eau utilisée comme réactive. On peut considérer que les 6

molécules de gaz carbonique (CO2) ainsi libérées ne contribuent pas à alimenter l’effet de

serre car ce sont les mêmes molécules que la photosynthèse à capter dans l’atmosphère, pour

la croissance de la plante, et qui sont recyclés. Une condition toutefois est que la quantité de

biomasse utilisée pendant la période de temps pris en compte, par exemple une année, soit

inférieure, ou au plus égale, à la quantité produite sur la zone considérée. Les réactions

thermochimiques sont globalement endothermiques et nécessitent une énergie qui peut être

produite par oxydation ou combustion partielle d’une partie de la ressource (transformation

autothermique) ou en utilisant l’appoint d’une source extérieure (transformation allo-

thermique).


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Lorsque la matière première ou le procédé fait intervenir un produit fossile (gaz naturel ou

charbon), la production d’hydrogène, si elle dépense relativement peu d’énergie,

s’accompagne d’une émission de gaz à effet de serre (CO2) que l’on peut cependant envisager

de capter et séquestrer, au prix d’une dépense énergétique supplémentaire qui pourrait

permettre, notamment pour les pays en développement (Chine, Inde) d'utiliser leurs

ressources fossiles sans atteinte à l'environnement (surcoût de 30 à 50%1). Pour le cas de la

dissociation électrique ou thermique de la molécule d’eau, il n’y a pas de rejet de CO2 mais

la dépense énergétique et son influence sur le coût sont quatre fois plus importante et

extrêmement pénalisante pour les filières concernées. L’hydrogène peut donc être produit à

partir de la biomasse dans de bonnes conditions et avec un apport d’énergie réduit grâce à la

présence de carbone et a priori sans effet néfaste sur l’environnement. La gazéification de la

biomasse semble être la seule voie capable de concurrencer le vaporeformage du gaz naturel

auquel il serait logique d'appliquer, en outre, une pénalité supplémentaire correspondant soit

à l'émission de CO2 (écotaxe), soit au coût de son captage et stockage.

Figure I-2 Transformation thermochimique de la biomasse


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I-4-5. Production par électrolyse de l’eau :

L’électrolyse de l’eau ne représente actuellement que quelques pourcents de la totalité

de l’hydrogène produits. Néanmoins, comme elle est un mode de production a priori propre

qui fournit de l’hydrogène de pureté élevée, elle est de ce fait du plus haut intérêt pour

des applications telles que les piles à combustible.

Pour plus de détails regarde le troisième chapitre.

I-4-6. Production par dissociation de l'eau à partir d'un réacteur nucléaire :

A. Principe de base :

Pour dissocier une mole d’eau, en système ouvert à pression constante, il faut fournir, quelle

que soit la méthode, une énergie égale à l’enthalpie ΔH (T) à la température T de la réaction

(H2O H2+

O2)……. (10)

Si cette dissociation est réalisée à des températures de plus en plus élevées et/ou à

des pressions de plus en plus basses, l'énergie nécessaire à cette réaction est moindre lorsque

l’eau est à l’état de vapeur qu’à l’état liquide.

L'intérêt de ce procédé est donc qu'il consomme moins d’électricité qu’un électrolyseur

classique (PEM ou alcalin) à condition d’augmenter l’apport de chaleur.

Les réacteurs nucléaires produisant chaleur et électricité sans émission de gaz à effet

de serre peuvent permettre de dissocier l’eau pour la production d’hydrogène par

électrolyse à haute température ou bien encore par un processus thermochimique sans

production d’électricité intermédiaire. C’est en particulier la perspective d’une génération

de réacteurs nucléaires à haute température refroidie au gaz (HTGR : high temperature

gas cooled reactor), qui rend envisageable de telles filières pour produire de l’hydrogène.

Ce type de procédé pourrait permettre dans le futur de produire de l’hydrogène à grande

échelle.


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L'électrolyse à haute température (EHT) consiste à dissocier la molécule d'eau en hydrogène

et oxygène à des températures comprises entre 700 et 1000°C en intégrant un électrolyte

céramique conducteur d'ions O2-. Ce procédé de production massive d'hydrogène a été

particulièrement étudié dans les années 80 en Allemagne. A cette époque, il n'a pas été

jugé suffisamment rentable par rapport aux technologies en concurrence et les

recherches se sont alors arrêtées. Depuis, des avancées significatives permettent

d'envisager de nouveaux développements.

La dissociation de la vapeur d’eau se produit à la cathode poreuse de l'électrolyseur :

H2O + 2e– H2 + ½ O2-……..(11)

Grâce à une tension théorique de 1,23V, l’ion O2– migre à travers l'électrolyte solide

(zircone) jusqu’à l’anode pour former l’oxygène suivant la réaction :

O2– ½ O2+ 2e–……..(12)

Figure I-3 : Réacteur nucléaire à très haute température


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I-4-7 .Décomposition de l'eau par cycle thermochimique :


Pour dissocier de l’eau à basse température, on peut procéder avec des cycles

thermochimiques. Un tel cycle est une série de plusieurs réactions chimiques assistées

thermiquement sans que les espèces chimiques entrant en jeu dans le cycle n’apparaissent

dans le bilan de ces réactions et dont le bilan est équivalent à la réaction de dissociation de

l’eau. Les réactifs initiaux autres que l’eau sont reconstitués au cours des réactions et sont

alors recyclés. Lorsque ces cycles nécessitent une étape d’électrolyse, ils sont qualifiés

d’hybrides. Des centaines de cycles proposés et expérimentés, seuls quatre semblent se

dégager, sur la base de critères techniques et économiques, pour un développement industriel

: le cycle iode-soufre, le cycle hybride soufre (ou cycle Westinghouse), le cycle hybride

brome-soufre (développé à Ispra en Italie) et le cycle UT-3 (étudié à l’Université de

Tokyo).

La réaction de base produisant de l’hydrogène et de l’oxygène est endothermique ; elle est

complétée par une réaction exothermique au cours de laquelle les substances chimiques sont

restituées à leur état initial (pression et température) et, de plus, sont produits l’hydrogène et

l’oxygène qui ne l’ont pas encore été au cours de la réaction de base.

Les cycles thermochimiques comportent des difficultés techniques :

* la nécessité de faire circuler de grandes quantités de matières plus lourdes que l’eau

avec en outre des réactions chimiques à pression élevée. Cela conduit à des dispositifs

complexes pour récupérer une partie de l’énergie mécanique avec en conséquence des

investissements importants ;

* la conservation des substances chimiques introduites, ce qui impose un haut degré de

pureté et le contrôle précis des processus de séparation des phases et des constituants ;

* le caractère corrosif des réactifs renforcé par la haute température pose un problème

de tenue de matériaux qui peut être compliqué par la présence simultanée de plusieurs de

ces substances.


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Le cycle iode-soufre (cycle I-S) est aujourd’hui considéré comme le cycle

thermochimique potentiellement le plus intéressant. Il consiste à enchaîner les réactions

suivantes :

(1) (9 I2)L + (SO2)g + (16 H2O)L → (2 HI + 10 H2O + 8 I2)L + (H2SO4 + 4 H2O)[120°C](12)

(2) L2 = (2 HI + 10 H2O + 8 I2)L → (2 HI)g + (10 H2O + 8 I2)L[230°C]…..(13)

(3) (2 HI)g → H2 + (I2)L [450°C]………(14)

(4) L1 = (H2SO4 + 4 H2O)L → (H2SO4)L + (4 H2O)L [300°C]……….(15)

(5) (H2SO4)L → (H2SO4)g [360°C] ……..(16)

(6) (H2SO4)g → (SO3)g + (H2O)g [400°C]……..(17)

(7) (SO3)g → (SO2)g + ½ O2 [850°C]………..(18)

La réaction (1), dénommée réaction de Bunsen, est exothermique en phase liquide et

produit deux phases acides aqueuses non miscibles : une phase L1 d’acide sulfurique dilué

et une phase L2 constituée d’un mélange d’acide iodhydrique, d’iode et d’eau. Dans la

réaction (2), HI est séparé par distillation de L2. C’est l’étape la plus critique de l’ensemble

du cycle. La réaction (3) consiste en la décomposition de HI et produit de l’hydrogène et de

l’iode. Il est envisagé de réaliser les réactions (2) et (3) dans la même colonne de distillation

réactivée. Les réactions (5) à (7), réalisées en phase gazeuse, produisent H2O, SO2 et de

l’oxygène. La réaction (7), bien qu’à plus haute température, nécessite un apport de chaleur

moindre que la réaction (5).

Le bilan global est donc bien une dissociation de l’eau en hydrogène et oxygène catalysé par

l’iode et le soufre. Les réactifs « intermédiaires » SO2 et I2 sont régénérés à l’issue du cycle de

réactions complet. Le cycle I-S peut être représenté schématiquement comme indiqué sur la

(figure I-4)


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Figure I-4 principes de cycle iode/soufre

I-4-8.Production par Photo-électrolyse de l'eau :


La photo-électrolyse de l’eau est la dissociation par le courant électrique produit par

l’éclairement d’une photo catalyseur à semi-conducteur. Des cellules photo électrochimiques

(PEC) (électrodes photo actives) immergées dans un électrolyte aqueux ou dans l'eau et

illuminées par la lumière solaire peuvent décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène.

Sous leur forme la plus simple, elles peuvent être décrites comme des dispositifs

photovoltaïques/électrolytiques intégrés ou monolithiques. Une large variété de

processus PEC et de photo catalyse susceptibles de dissocier l'eau sont étudiés de par

le monde. Des études ont été menées en particulier par l’International Energy Agency (IEA).

Bien qu'intrinsèquement simples, les aspects scientifiques et de développement des matériaux

de cellules

PEC pour la production d'hydrogène en sont encore au stade préliminaire de la recherche

fondamentale.


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Figure I-5 : Schéma de principe de la décomposition photochimique de l’eau


Quatre étapes principales sont mises en jeu dans le processus photo électrochimique de la

dissociation de l'eau. La première étape consiste en la génération d'une charge électronique

à la surface de la photo anode soumise au rayonnement solaire, produisant des paires

d'électron – trou. La deuxième est l'oxydation de l'eau à la photo anode par les trous

produisant des molécules d'oxygène (O2). La troisième étape est celle du transport des ions

hydrogène (H+) et des électrons de la photo anode à la cathode, respectivement via

l'électrolyte et la connexion électrique (la cathode pouvant être une photocathode induite par

la lumière). Enfin, la réduction des H+ à la cathode forme des molécules d'hydrogène (H2) à

l'aide des électrons.

Deux critères sont essentiels pour le choix des matériaux semi-conducteurs des cellules PEC

l'existence d'une bande interdite "parfaite" (large gap) et la possibilité d'éviter la

recombinaison des porteurs de charge. L'énergie minimale théorique du photon devant être

absorbé par une photo anode "parfaite" est de 1,23 électronvolt. C'est la force

électromotrice minimale théorique nécessaire aux cellules PEC pour dissocier la

molécule d'eau.


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1-4-9 .Production d'hydrogène par des micro-organismes Photosynthétiques :


Les organismes photosynthétiques, comme certaines algues vertes unicellulaires ou

cyanobactéries, possèdent l’avantage de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie

solaire en utilisant l’eau comme donneur d’électrons et de protons sans le dégagement

parallèle de gaz à effet de serre(CO2) inhérent aux autres organismes hétérotrophes. Dans

ce cas, un procédé totalement propre basé sur la photosynthèse peut être envisagé, avec

comme source d'énergie les deux plus importantes ressources de notre planète, l'eau et le

soleil.

Cette photo production d’hydrogène en est encore au stade de l’expérimentation en

laboratoire. Le problème majeur à résoudre, lié à la nature transitoire du phénomène en

conditions naturelles, est l’arrêt rapide du processus de dégagement de l’hydrogène. Cela est

dû au fait que l’hydrogénas (Figure I-6) l’enzyme responsable de la production

d’hydrogène, est inhibée car fortement sensible à l’oxygène qui se dégage en parallèle par

photosynthèse lors de la bio photolyse de l’eau. Les deux processus doivent donc être

séparés. Des solutions techniques basées sur la flexibilité métabolique des algues devraient

permettre de s’affranchir de ces limitations du processus.

Certaines bactéries photosynthétiques qui produisent de l'hydrogène utilisent bien des

sources d'électrons autres que l'eau, mais ces sources, plus facilement oxydables que l'eau,

conduisent à un rendement plus faible pour la génération d'hydrogène. Certaines algues et

certaines cyanobactéries mettent en œuvre à la fois l'oxydation de l'eau et la production

d'hydrogène, mais ces deux processus se produisent dans deux compartiments cellulaires

différents ou à des moments différents du cycle vital. L’algue verte Chlamydomonas

Reinhardt a été retenue comme espèce d’étude car elle possède une hydrogénas à fer à forte

activité couplée à la chaîne photosynthétique. Lorsqu’elle est placée à la lumière, u ne algue

verte de ce type croît par photosynthèse normale mais par une modification de son milieu de

culture, on peut faire décroître sa capacité d'oxyder l'eau jusqu'à un point où sa production

d'oxygène est égale à sa production par respiration. Pour arrêter cette production

parallèle d’oxygène à laquelle l’hydrogénas est très sensible, il est possible de tirer

parti de la flexibilité métabolique de l’algue en alternant des phases aérobies de


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constitution de biomasse (hydrates de carbone) et des phases anaérobies de production

d’hydrogène. Dans ces conditions anaérobies, une culture de cette algue consomme donc

tout l'oxygène du milieu et met ensuite en route la synthèse de son enzyme de production

d'hydrogène. Au cours de cette dernière, le pouvoir réducteur issu de la dégradation des

réserves carbonées (hydrates de carbone) permet la bio production d’hydrogène. L'enzyme

utilise les électrons fortement réducteurs fournis par l'appareil photosynthétique pour fixer

des protons et produire de l'hydrogène. La formation parallèle d’oxygène est empêchée par

l’utilisation de «dérivateurs métaboliques» (carence minérale en soufre), les cellules

consomment alors, par respiration, plus d’oxygène qu’elles n’en produisent et les conditions

d’anaérobies sont maintenues.

En alternant des phases de croissance "oxygéniques" et "hydro géniques", de l'hydrogène

peut réellement être produit à partir d'eau et de lumière. Ce système, fonctionnel mais

complexe à mettre en œuvre, inspire deux directions de recherche : le travail sur des

cultures de micro-organismes et le travail sur des systèmes artificiels inspirés du processus

biologique.

Figure I-6 : bio-production d’hydrogène


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I-5. LE STOCKAGE DE L’HYDROGENE :

L'hydrogène est un produit très volatil et inflammable, ce qui explique les difficultés

rencontrées pour son stockage. En effet, il doit offrir un haut degré de sécurité et d'autre

part des facilités d'usage en terme de densité d'énergie et de dynamique de

stockage/déstockage pour permettre aux différentes applications de fonctionner dans des

conditions techniques acceptables.

Aujourd'hui, il existe principalement trois modes de stockage. Ces différentes modes

présentent chacun leurs avantages et leurs inconvénients selon des critères économiques,

énergétiques, de capacité massique et volumique, de sécurité de stockage/déstockage.

L’hydrogène peut être stocké sous forme :

gazeuse comprimée, à plusieurs centaines de bar, dans des réservoirs à hautes

pressions : c’est la solution la plus répandue aujourd’hui.

liquide cryogénique : l’hydrogène est liquéfié à -253°C ce qui consomme de l’énergie

et nécessite des réservoirs munis d’un bon isolement thermique.

stocké « solide » : adsorbé sur un hydrure métallique (ces matériaux sont lourds et ont

une faible capacité de stockage – 4 kg d’hydrogène stocké pour 100 kg de matériaux

adsorbants) ou adsorbé par des matériaux poreux (solide à grande surface comme des

charbons actifs, nanotubes de carbone, nano-fibre etc.).

Figure I-7 les types de stockages d’hydrogène


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I-6. LES AVANTAGES ET LES INCONVENANT DE CHAQUE MODE DE

STOKAGE D’HYDROGENE :

Mode de stockage Solide Liquide Gazeux

Avantages - Sécurité (basse

pression) - Capacité volumique - Géométrie flexible - Pas de pertes

- Commercial - Capacité volumique - Infrastructure existante - Cinétique

- Commercial à moyenne pression - Cinétiques - Coût

Progrès indispensables

Coût - Capacité massique - Cinétique

- Sécurité -Pertes - Liquéfaction

- Sécurité (haute pression) - Capacité volumique - Compression

Tableau 5 : avenages et inconvenants de chaque mode de stockages d’hydrogène

I-7.TRANSPORT DE L’HYDROGENE :

I-7-1. Transport par route :

Le transport de l’hydrogène liquide par camion est le plus courant pour l’alimentation

des stations- services à hydrogène comme cela est le cas pour les stations de

démonstration mises en œuvre dans de nombreux pays. L’hydrogène est contenu dans

des réservoirs cryogéniques cylindriques à l’image des camions citernes transportant

des liquides. Ces véhicules peuvent transporter jusqu’à 3.5 t d’hydrogène liquide pour

un poids total de 40 t. Quand il est utilisé en grande quantité comme substance

chimique de base (industrie pétrolière, synthèse de l’ammoniac) l’hydrogène est en

général acheminé par gazoduc, le transport sous forme liquide par camion étant plutôt

réservé à des applications nécessitant des quantités moindres, comme l’industrie

électronique

I-7-2Transport par mer :

Le fait que l’hydrogène liquide soit dense et que les réservoirs cryogéniques le

contenant puissent avoir de très importantes capacités suggère assez naturellement le

transport par mer depuis les lieux pouvant avoir une grande capacité de production à

ceux de forte consommation.

L’hydrogène liquide aurait été contenu dans de grands réservoirs cryogéniques

sphériques à double paroi de 3000 m3


Page 27

I-7-3 Le transport de l’hydrogène par gazoducs :

Le transport de l’hydrogène par gazoducs (plusieurs dizaines de bar), existe depuis

des décennies sans aucun accident majeur reporté. Ces réseaux servent à alimenter

des sites industriels. La longueur cumulée dans le monde de gazoducs hydrogène est

estimée entre 2.000 et 3.000 km à comparer à plus de 1.000.000 km pour le transport du

gaz naturel.

En s’orientant vers une économie de l’hydrogène, des modèles sur le transport de

l’hydrogène comparent la livraison par gazoduc et par camion de capacités

d’hydrogène. A partir d’un seuil de pénétration du marché, le transport de l’hydrogène

par canalisation s’avère plus économique. Diverses études ont donc été engagées pour

développer ce moyen de transport. Parmi celles- ci, citons quelques exemples non-

exhaustifs : Injecter de l’hydrogène dans les canalisations de gaz naturel existantes.

Cette méthode permettrait d’assurer une transition « douce » vers un avenir où

l’hydrogène aurait une part significative dans le bouquet énergétique.

I-8 .LES DIFFERENTES UTILISATIONS D’HYDROGENE :

L'hydrogène est utilisé principalement:

pour ses propriétés d'agent réducteur dans l'industrie pétrolière pour la désulfuration

de l'essence et du gazole (37% de la production totale) .

dans l'industrie chimique pour la fabrication d'ammoniaque suivant la réaction

chimique exothermique en phase gazeuse (50%) : de méthanol (8%), de polymères

comme les polyuréthanes et les polycarbonates.

dans l'industrie du verre ou des semi-conducteurs et dans la métallurgie pour la

transformation de l'acier.

Ces informations sont ainsi regroupées dans le tableau :


Page 28

Industrie Application

chimie

L’utilisation la plus importante de l’hydrogène se trouve

dans la synthèse de l’ammoniac (50%) suivant la réaction

chimique exothermique en phase gazeuse

N2+3H2 2NH3

Alimentaire et boisson L’hydrogène pur est utilisé pour la production de

plastique, polyester et nylon. H2 est aussi utilisé dans

l’hydrogénation des amines et acides gras (huile

alimentaire)

Verre, chaux et ciment L'hydrogène est principalement utilisé pour la création en

combinaison avec l'azote d'une atmosphère réductrice au-

dessus du bain d'étain dans le procède FLOAT. On utilise

l'hydrogène pour le traitement thermique (flamme oxy -

hydrogène) du verre creux et des performes en fibre

optique.

Industrie des métaux Atmosphère réductrice pour des procédés de traitement

thermique.

Laboratoires et analyses L'hydrogène est utilisé comme gaz porteur en

chromatographie en phase gazeuse et dans de nombreuses

techniques analytiques. Les plus communes sont

l'utilisation dans les' flammes des détecteurs à ionisation

de flamme (FID) ou des détecteurs à photométrie de

flamme (FPD). On utilise aussi des Mélanges contenant de

l'hydrogène dans les appareils d'étincelage et dans la

mesure des hydrocarbures totaux.

Soudage, coupage et projection

thermique

Traitement thermique de divers métaux


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Pétrole et divers Désulfuration du fuel et de l'essence

électronique

L'hydrogène est généralement utilisé comme gaz de

balayage lors des étapes de dépôt de silicium ou de

croissance cristalline, aussi bien que dans le brassage

sous atmosphère et le recuit de film de cuivre. L'emploi

d'hydrogène avec des gaz inertes protecteurs(H2 dilué

dans de l'azote) permet théoriquement d'éliminer la totalité

de l'oxygène ainsi que ses inconvénients dans un milieu

essentiel pour les procèdes à haute ou moyenne

températures.

Espace et aéronautique L'hydrogène est utilisé sous forme liquide dans les ergols

pour la propulsion des étages cryogéniques des fusées

Ariane

divers Avec l'hydrogène on fabrique de l'eau oxygénée H202

utilisée comme décolorant ou désinfectant ou pour le

blanchiment de la pâte à papier

Tableau 6 : les déférentes utilisations d’hydrogène

CHAPITRE II

Système solaire photovoltaïque

CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque

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II-1. INTRODUCTION :

Dans les dernières années, l'utilisation des sources d'énergies renouvelables pour produire de

l’énergie électrique est visible partout dans le monde. Ce scénario est le résultat de

l'augmentation de la demande d'énergie en relation avec la réduction de l'offre de carburants

classiques qu’avec les préoccupations croissantes au sujet de l'environnement.

Parmi les sources d'énergie renouvelables on trouve celle qui se produit par les panneaux

photovoltaïques (PV), qui sont actuellement considérés comme la source d'énergie naturelle

la plus utile, car elle ne produit aucun gaz à effet de serre au cours de la production

d'électricité, elle est distribuée sur toute la terre, et participe en tant qu’un facteur

primordial de tous les autres processus de production d'énergie sur terre.

L’énergie solaire photovoltaïque (PV), qui est la conversion de la lumière en

électricité grâce à des cellules solaires, représente un alternatif intéressant et bien adaptée à

des besoins limités. Le développement dans le domaine de semi-conducteurs et

l’électronique de puissance mènent à une activité de recherche importante afin

d’améliorer et maximiser l’efficacité des modules photovoltaïques. Cette optimisation de

configuration de commutation de convertisseur à améliorer le rendement de conversion

électrique pour le raccordement des PV au réseau ou à un périphérique de stockage

d’énergie sous forme d’hydrogène. Dans ce chapitre on va s’occuper à l’étude de la

production d’électricité des panneaux photovoltaïques.

II-2. L’ENERGIE SOLAIRE :

II-2-1.Composants de la radiation solaire :

Le soleil est une étoile parmi tant d’autres. Il a un diamètre de 1390000 km, soit environ

50fois celui de la terre. Il est composé à 80% d’hydrogène, 19% d’hélium et 1% d’un

mélange de 100 éléments, soit pratiquement tous les éléments chimiques connus depuis que

Langevin et Perrin, s’appuyant sur la théorie de la relativité d’Einstein, ont émis l’idée il y a

une soixantaine d’années que c’est l’énergie de fusion nucléaire qui fournit au soleil sa

puissance, il est aujourd’hui admis que le soleil est une bombe thermonucléaire hydrogène -

hélium transformant chaque seconde 564 millions de tonnes d’hydrogène en 560 millions

tonnes d’hélium,


Page 31

La réaction se faisant dans son noyau à la température d’environ 25 millions de degrés

Celsius. Ainsi, à chaque seconde, le soleil est allégé de 4 millions de tonnes dispersées sous

forme de rayonnement.

On distingue plusieurs composantes de rayonnement solaire :

a- Rayonnement direct :

Le rayonnement direct est reçu directement du soleil, sans diffusion par l’atmosphère. Ses

rayons sont parallèles entre eux, il forme donc des ombres et peut être concentré par des

miroirs.

b- Rayonnement diffus :

Le rayonnement diffus est constitué des photons diffusés par l’atmosphère (air, nébulosité,

aérosols). Sa structure varie avec les conditions météorologiques. Par temps couvert, on

admet qu’il est isotrope, c’est- à- dire qu’on reçoit un rayonnement identique de toutes les

di rections de la voûte céleste.

c- Rayonnement réfléchis :

L’albédo est la partie réfléchie par le sol. Il dépend de l’environnement du site, il faudra

en tenir compte pour évaluer le rayonnement sur plans inclinés

Figure II.1 Composantes du rayonnement solaire


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II-3 .RAYONNEMENT SOLAIRE :

Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre 150.10 6 Km, la couche

terrestre reçoit une quantité d’énergie importante 180.10 6 GW, c’est pour ça quel ‘énergie

solaire se présente bien comme une alternative aux autre sources d’énergie.

Cette quantité d’énergie quittera sa surface sous forme de rayonnement électromagnétique

compris dans une longueur variant de 0.22 à 10μm, l’énergie associe à ce rayonnement

solaire se décompose approximativement comme suit:

- 9% dans la bande des ultraviolets (< à 0.4μm).

- 47% dans la bande visibles (0.4 à 0.8μm).

- 44% dans la bande des infrarouges (> à 0.8μm).

L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde l selon la relation :

=

l ……..(19)

Figure II.2 Spectre de rayonnement solaire


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II-4. LE GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE :

II-4-1. La cellule photovoltaïque :

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère

une tension électrique : cet effet est appelé l'effet photovoltaïque.

Elle est constituée de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (S Cd)

ou de tellure de cadmium (Cd Te). Elle se présente sous la forme de deux fines plaques [type-

n et type-p] en contact étroit [jonction n-p].

Elle est considérée comme un détecteur de lumière (photodiode), qui -lorsqu’on l'éclaire avec

une certaine quantité de lumière- produit du courant électrique.

Elle mesure à peu près 100 cm2 [carré de 4 pouces] et produit environ 0.5 Volts.

Elle est fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs (Silicium monocristallin, silicium

poly cristallin, silicium amorphe, et dans une moindre mesure l’arséniure de gallium, et le

cadmium).

La cellule "photovoltaïque" est aussi appelée cellule "photo-galvanique".

II-4-1-1.Principe de fonctionnement :

Figure II.3 : Coupe transversale d’une cellule PV.


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Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé «effet

photovoltaïque» qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette

cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en

fonction du matériau utilisé, de sa disposition, de la température de la cellule ainsi que le

vieillissement de la cellule

En fonction de la puissance désirée, les cellules eux-mêmes peuvent être assemblés

pour constituer le champ (générateur) photovoltaïque. Le point de fonctionnement du

générateur photovoltaïque est caractérisé par :

IG PV = NP*I………(20)

VG PV = NS*V……… (21)

La figure [II.3] illustre une cellule PV typique. Elle montre clairement sa constitution

détaillée. Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P

(dopée au bore) et l’autre couche dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une jonction PN

avec une barrière de potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils

transmettent leur énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces

atomes se libèrent et créent des électrons (charges N) et des trous (charges P). Ceci crée

alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est

mesurable entre les connexions des bornes positives et négatives de la cellule

Figure II.4 Caractéristique courant – tension d’une cellule photovoltaïque.


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Comme nous le voyons sur la figure II.4, la cellule solaire PV est caractérisée par la courbe

I(V) non linéaire qui dépend particulièrement des conditions d’ensoleillement et de

température.

Il y a trois points importants sur cette courbe :

• Le point de fonctionnement optimal PPM

• Le point du courant maximal (Isc). Il se produit lorsque les bornes de la cellule sont

court-circuitées et dépend fortement du niveau d’éclairement.

• Le point de la tension maximale de la cellule (Voc) (environ 0.6 V) pour un courant

nul.

II-4-1-2 .types cellules photovoltaïques :

a- Les cellules monocristallines : Le silicium est fondu deux fois pour se solidifier en ne

formant qu’un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines

tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d’un bleu uniforme. Leur

rendement est de l’ordre de 14 à 18%, et engendrent un coût de production plus élevé que les

cellules poly cristallines

Utilisation : Ce rendement important vous permettra d’intégrer un système photovoltaïque de

3kWc sur une toiture à surface limitée.

b- Les cellules poly cristallines : Ce sont actuellement les plus présentes sur le marché. Elles

sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en plusieurs cristaux dont les

orientations sont différentes. La cellule photovoltaïque est d’aspect bleuté, mais pas

uniforme ; on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Leur rendement est de

l’ordre de 11 à 14%, mais elles engendrent un coût de production moins élevé que les cellules

monocristallines.

Utilisation : Moins onéreux que le monocristallin tout en ayant aujourd’hui sensiblement les

mêmes caractéristiques de résistance à la chaleur, les panneaux poly cristallins s’intégreront

parfaitement dans votre projet photovoltaïque particulier de 3kWc.

http://actualites.activolt.fr/tag/cellule-photovoltaique


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c- Les cellules amorphes : Ces cellules sont composées d’un support en verre ou en matière

synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l’organisation des atomes n’est

plus régulière comme dans un cristal). C’est la cellule des calculatrices et des montres dites

« solaires ».Elles présentent l’avantage de fonctionner avec un éclairement faible (même par

temps couvert ou à l’intérieur d’un bâtiment), et d’être moins sensible aux températures

élevées que les cellules mono ou poly cristallines. En revanche, leur rendement est faible,

compris entre 5 et 10%.La souplesse des panneaux permet de les utiliser sur des couvertures

courbes. En outre, il n’est pas nécessaire de renforcer les charpentes, ni d’effectuer des tests

sur la stabilité du toit, de par la légèreté du système (sous forme de panneaux, environ 5

kg/m²). La garantie de puissance nominale installée au bout de 20 ans de fonctionnement est

de 80% pour les produits les plus récents.

Utilisation : l’amorphe est à privilégier quand on dispose d’une grande surface et qu’on

souhaite optimiser au maximum sa production. Ces cellules sont souvent utilisées là où un

fort échauffement des modules est à prévoir. On utilise ces panneaux le plus souvent pour les

chantiers dits « professionnels », dont la puissance excède les 3 kWc.

.

Figure II.5 les déférentes cellules photovoltaïques


Page 37

II-4-1-3.Caractéristiques des cellules photovoltaïques :

Tableau 7 : Caractéristiques des cellules photovoltaïques

Silicium monocristallin

A base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique, les cellules en silicium monocristallin ont un très bon rendement mais elles sont chères à fabriquer.

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général bleue (une des trois couleurs primaires) uniforme.

Avantages Inconvénients

très bon rendement de 120Wc/m2 - 15 à 22 -Leur durée de vie est quant à elle de 30 à 35 ans

coût élevé, rendement faible sous un

faible éclairement.

Silicium poly-cristallin (ou multi-cristallin)

A base de poly-cristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces poly-cristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme: on distingue des motifs créés par les différents cristaux.


rendement faible de 100 Wc/m2 10à13% coût de fabrication faible

durée de vie supérieure à 25 ans

rendement faible sous un faible éclairement.

Silicium amorphe Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est en particulier la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".


Cout de fabrication très faible Fonctionnent avec un

éclairement faible Faible sensibilité aux

températures élevées

Rendement faible, 6à7%, en

plein soleil

performances diminuant

avec le temps


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II-4-2. Semi-conducteur :

Un semi-conducteur dopé est une structure cristalline dans laquelle on a introduit des atomes

étrangers de valence 3 ou 5. L'état électronique s'en trouve modifié : le dopage accroît la

conductibilité du cristal tout en le maintenant entre l'isolant et le conducteur.

Il existe deux types de semi-conducteurs extrinsèques :

- Le semi-conducteur dopé P.

- Le semi-conducteur dopé N.

a- Le semi conducteur de type P :

On dope le cristal intrinsèque avec un élément possèdent un nombre inférieur d'électrons de valence :

on peut doper du silicium (4 électrons de valence) avec du Bore, de l'indium, du Gallium ou

de l'Aluminium qui possèdent 3 électrons de valence (atome accepteur).

Ces atomes vont prendre la place d'atomes de

silicium dans le cristal. Comme ils possèdent 1

électron de valence en moins, il va se créer des trous

dans le semi-conducteur. Les trous deviennent

porteurs de charges mobiles majoritaires : le semi

conducteur est de type p.il subsistera quelques

électrons libres dans le cristal (porteurs minoritaires)

Les trous ainsi créés vont être susceptible d’être

bouché é par des électrons présents dans le cristal

(par exemple, des électrons issue de paires électrons

–trous générés par l’agitation thermique)

Figure II.6 Le semi conducteur de type P


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b- Le semi conducteur de type N :

Le principe est le même que pour le semi conducteur de type P, sauf qu’on dope le cristal

avec des éléments ayant un électron de valence de plus (atomes donneurs) : le phosphore,

l’arsenic et l’antimoine, qui possèdent 5 électrons de

valence pourront doper le silicium par exemple. 4

électrons vont faire des liaisons covalentes avec les

atomes de silicium environnants, et le 5éme sera un

électron libre ; tous ces électrons libres seront les

porteurs majoritaire (figure II.7.) il existera encore

quelque trous, mai en très faible quantité.

Les électrons libres seront pratiquement aussi

mobiles que dans le cas des conducteurs (liaison

métalliques)

A noter que dans ce cas, l’atome donneur devient ion

positif, mai ceci ne créé pas un porteur trou comme

dans le cas du silicium p, car cette charge positive ne

peut pas se déplacer dans le cristal

Figure II.7 Le semi conducteur de type N


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II-4-3.Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque :

Figure II.8: Schéma équivalent de cellule PV

Une cellule PV peut se modéliser à partir de l’équation définissant le comportement statique

de la jonction PN d’une diode classique. Ainsi, la figure (II.8) illustre le schéma électrique

équivalent d’une cellule PV réelle. Dans cette équation, on prend en compte le courant de

court-circuit et les différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique. En

statique, En statique, le comportement d’une cellule PV constituée d’une jonction PN à base

de silicium peut être décrit par l’équation suivante:

I = Iph - ID - IP……(22)

Avec:

IP = .

…………(23)

ID = I0[exp(..

) -1] ……………(24)

= .

………(25)


Page 41

En utilisant les équations ci-dessus, on peut en déduire l’expression du courant délivré par

la cellule photovoltaïque :

I = Iph- I0[exp(.

.) -1]- (

.

)…….(26)

II-5. RENDEMENT DE PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE :

Le rendement est le rapport de la puissance électrique optimale à la puissance de

radiation incidente

ηpv = .

.……. (27)

II-6. LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS DE L’ENERGIE

PHOTOVOLTAIQUE :

II-6-1Les avantages :

Les panneaux solaires présentent de nombreux avantages, la médiatisation de ce sujet en témoigne.

D'un point de vue écologique, les panneaux solaires sont une énergie propre non

polluante pour l'environnement. Aucun gaz à effet de serre n'est rejette et il n'y a aucun

déchet radioactif produit.

L'énergie solaire est inépuisable, contrairement aux énergies fossiles comme le charbon

ou le pétrole qui sont pourtant encore plus utilisés que le solaire.

Pour les endroits isolés ou les petites installations, rien de tel que les panneaux solaires

pour les rendre autonomes.

Les panneaux solaires, une fois installés, demandent très peu d'entretien et l'énergie est

produite sans action de l'homme. .

De plus, les panneaux solaires ne sont encore que peu utilisés et ont une forte marge

d'évolution et un avenir prometteur.

Les panneaux solaires peuvent représenter un très bon investissement pour des

particuliers.


Page 42

Les panneaux solaires restent silencieux et non dérangeants pour les riverains voisins,

ce qui n'est pas le cas de toutes les sources d'énergie.

L'énergie photovoltaïque peut être installée partout, même en ville

L'énergie photovoltaïque est renouvelable et gratuite

II-6-2.Les inconvénients :

L'énergie solaire n'est pas compétitive lorsqu'il s'agit de production importante d'énergie.

En effet, certaines énergies comme le nucléaire sont beaucoup plus rentables

financièrement. Tous les besoins énergétiques mondiaux ne peuvent donc pas être fournis

par l'énergie solaire.

Un panneau solaire a une durée de vie de 25 ans environ, au-delà, les rendements

diminuent rapidement. De plus, il faut 3 ans au panneau pour produire l'énergie qui a été

utilisée pour sa construction.

Une production d'énergie irrégulière, à cause du temps. Les panneaux

produisent beaucoup l'été mais les besoins sont faibles. Au contraire, la production

d'énergie en hiver est plus faible alors que les besoins sont élevés.

L'énergie solaire ne produit qu'en journée et en fonction de la météo, et non en fonction

des besoins énergétiques. Il faut donc investir dans des moyens de stockage de l'énergie

qui coûtent très cher.

Le coût élevé à la fois des panneaux solaires mais également des installations nécessaires

comme les moyens de stockage de l'énergie.

La taille des installations : il faut en effet de grandes superficies de panneaux solaires pour

produire de l'énergie.

CHAPITRE III Electrolyse de l’eau

CHAPITRE III : électrolyse de l’eau

Page 43

III-1. INTRODUCTION:

L’électrolyse est un procédé qui utilise l’eau (H2O) comme matière première pour produire

de l’hydrogène et de l’oxygène. Elle est rendue possible par le passage d’un courant

électrique continu à travers deux électrodes immergées dans un électrolyte liquide ou solide.

C’est le processus de conversion de l’énergie électrique en énergie chimique.

Nicholson et Carlisle sont les premiers à produire de l’hydrogène et de l’oxygène par

électrolyse de l’eau en 1800. En 1832, Faraday établit les lois quantitatives de l’électrolyse.

Cependant, le premier électrolyseur n’est commercialisé qu’un siècle plus tard, en 1902 par

la société Oerlikon Engineering Company.

En 1939, le premier électrolyseur dédié à la production d’oxygène à grande échelle

(production des gaz > 104m3/h) est installé au Canada. Il est de technologie alcaline à

plaques monopolaires. Il sera ensuite reconverti pour produire de l’hydrogène pour la

fabrication d’engrais.

En 1948, le fabricant Lurgi apporte une innovation majeure en développant le

procédé d’électrolyse sous pression, ce qui permettait de s’affranchir d’une unité de

compression pour

le stockage des gaz produits et de fonctionner à plus haute température. La première

installation de ce type est mise en place au Pérou à Cuzco en 1958.

III-2. PRINCIPE GENERALE DE L’ELECTROLYSE DE L’EAU:

L’électrolyse de l’eau consiste en deux réactions chimiques ayant lieu séparément sur deux

électrodes. A la cathode se produit la réduction de l’eau ,et à l’anode l’oxydation des

ions hydroxydes selon les équations suivantes :

-A la cathode :

2H+ + 2e- H2 …..(28)

-A l’anode :

H2O

O2 +2H+ +2e- …… (29)

Figure III-1 électrolyseur de l’eau


Page 44

III-2-1. Aspects thermodynamiques :

III-2-1-1. La réaction globale:

H2O H2+ ½ O2…..(30)

Thermodynamiquement, dans les conditions standard de température et de pression

(T=298K et P=101,3kpa), l’eau est liquide, H2 et O2 sont gazeux on a :

L’énergie libre ∆G° (298K)=237kj/mol.

Enthalpie libre ∆H° (298K)= 286Kj/mol.

III-2-1-2. Tension réversible et tension thermo neutre :

La tension minimale ou réversible (Erev) d’une cellule d’électrolyseur correspond à

l’énergie libre (∆G°) nécessaire pour décomposer la molécule d’eau. Ces deux grandeurs

sont reliées par la formule suivante:

Erev= ∆°

……(31)

Ici n=2

Erev= 1,23 V à 298K

La tension thermo neutre (Eth) correspond au fonctionnement isotherme de

l’électrolyseur. Cette tension ne dépend que faiblement de la température. Elle est

donnée par la formule suivante :

Eth= ∆°

…….(32)

Eth= 1,48 V à 298K

On constate que deux types de fonctionnement sont possibles en fonction de la tension

de l’électrolyseur :

• Erev< U < Eth: un apport extérieur de chaleur est nécessaire aux cellules d’électrolyse.

• U > Eth: la chaleur est alors produite par la réaction.


Page 45

III-2-1-3. Tension pratique :

Pratiquement, la tension d’électrolyse est toujours supérieure à la tension réversible à cause

de l’ensemble des irréversibilités présentes dans le procédé. Cette Figure présente de manière

schématique l’ensemble de ces irréversibilités.

Figure III-2: irréversibilités présentes dans une cellule d'électrolyse

O. Ulleberg propose de représenter la tension pratique d’un électrolyseur de la

manière suivante :

U = Erev+ ηa+ ηc+ RoI…….. (33)

la surtension reprisant la tension en excès de la tension thermodynamique, nécessaire pour

surmonter les pertes dans la cellule.

Ro: résistance électronique et ionique de l’ensemble électrodes-membranes-électrolyte

(Ω) (chute ohmique du diaphragme, épaisseur des compartiments, effet d’écran des

bulles) ;


Page 46

III-2-2. Effet de la température sur la tension d’électrolyse :

Des études expérimentales menées sur l’électrolyse montrent que l’ensemble des

irréversibilités présentes dans une cellule d’électrolyse diminue lorsque la température

de fonctionnement de l’électrolyseur augmente. La résistance ionique, qui est

prépondérante, diminue alors, permettant de diminuer la tension pratique de

l’électrolyseur et donc sa consommation énergétique. En outre les réactions comme

l’oxydation de l’eau en oxygène nécessitant d’être catalysées en raison de leur forte

irréversibilité sont de même favorisées par un accroissement de la température.

Figure III-3 : influence de la température sur la tension de cellule d’un électrolyseur alcalin

L’augmentation de température est limitée par la tenue des matériaux de l’électrolyseur. Au-

delà d’une certaine température, il est nécessaire d’opérer l’électrolyse sous pression afin de

réduire les pertes d’eau par évaporation. On peut observer sur cette figure la possibilité

d’obtenir des rendements élevés, voire supérieurs à 100 % (à faible intensité) dans le cas

où la chaleur serait apportée à la réaction de manière externe.


Page 47

III-2-3. Effet de la pression sur la tension d’électrolyse :

Bien que pour des raisons thermodynamiques, une augmentation de la pression tende

à augmenter la tension de l’électrolyseur et donc à diminuer son rendement

énergétique, en pratique, l’influence de la pression sur la tension de cellule à densité de

courant et température constantes dépend de la technologie de l’électrolyseur. Pour la

technologie dite « zéro gap » (plaques bipolaires), on n’observe aucune influence de la

pression et ce, dans une large gamme. Cette constatation pousse les industriels à développer

des électrolyseurs à plaques bipolaires dont la pression de fonctionnement est supérieure à

30 bars. Ils peuvent ainsi s’affranchir d’un étage de compression, très énergivore, pour

conditionner les gaz produits à 200 bars.

Figure III-4: influence de la pression sur la tension de cellule d’un électrolyseur alcalin à

technologie ‘zéro gap’

En revanche, pour les électrolyseurs à diaphragme, à haute pression, la taille des bulles de

gaz produites fait chuter la résistance de l’électrolyte et donc la tension d’électrolyse.


Page 48

III-2-4. Effet de la pression sur la pureté des gaz produits:

La pureté des gaz (principalement l’oxygène) dépend à la fois de l’intensité et de la pression.

La Figure III-4 nous montre que la concentration de l’hydrogène dans l’oxygène augmente

avec la pression. A faible intensité et à pression constante, le débit d’hydrogène produit est

faible. Du fait de la petite taille des molécules d’H2, ce gaz diffuse à travers la membrane

pour se rendre du côté anodique où est produit l’oxygène. Ce phénomène est constant quelle

que soit l’intensité. L’oxygène produit est donc moins pur lorsque l’intensité est faible.

Cette diffusion peut entraîner un risque d’explosion (si la concentration d’hydrogène

dans l’oxygène atteint la valeur critique de 4% en volume).

C’est pourquoi on équipe habituellement les électrolyseurs de capteurs pour mesurer la

concentration d’hydrogène dans l’oxygène produit. Enfin, on limite généralement le

fonctionnement de l’électrolyseur à une intensité minimale et donc à une puissance minimale

pour éviter la production d’un mélange explosif. Ce régime minimal augmente lui aussi avec

la pression. Bien que l’augmentation de la pression de fonctionnement de l’électrolyseur

soit favorable d’un point de vue énergétique (on peut s’affranchir d’une unité de

compression pour le stockage des gaz produits, réduisant ainsi la consommation

électrique du système), elle pénalise la qualité des gaz produits, à faible régime.

Figure III-5 influence de la pression et de l’intensité sur la pureté des gaz produit par

électrolyse alcaline


Page 49

III-3. RENDEMENTS :

III-3-1. Rendement énergétique :

Le rendement énergétique d’un électrolyseur en générale est donné par le rapport entre la

quantité d’énergie théorique Wt et la quantité d’énergie réelle Wr nécessaire pour électrolyser

une quantité donnée de matière produite :

ɛ =

……..(34)

Avec :

Wr = U.I.t ……….(35)

Où I est le courant ‘A’ et t le temps.

Wt peut être défini a partir de la tension réversible d’électrolyse Erev ou de la tension thermo

neutre Eth :

Wt= Erev . I. t…….(36)

Wt= Eth . I. t……(37)

Le rendement de la réaction d’électrolyse peut se définir de deux façons différentes :

Rendement énergétique : ɛ∆G =

……..(38)

Rendement enthalpique : ɛ∆H =

……..(39)

III-3-2.Rendement Faradique :

Le rendement faradique (ɛF) exprime l’efficacité coulomb que des processus aux interfaces.il

dépend de la densité de courant (j) s’exprime sous la forme :

ɛF = 2F

……..(40)

Le rendement faradique est en général proche de 1. Cependant, en électrolyse de l’eau

l’étanchéité des séparateurs aux gaz (H2et O2) n’est pas totale : H2 peut diffuser vers l’anode

et O2 vers la cathode pour se recombiner et redonner de l’eau (phénomène de « cross over »),

ce qui tend à diminuer l’efficacité faradique.


Page 50

III-4. LES DIFFERENTS TECHNOLOGIES D’ELECTROLYSEURS :

Elles sont de deux natures et portent d’une part sur le type de structure (mono polaire ou

bipolaire) et d’autre part sur le type d’électrolyte : alcalin, PEM (ou acide) ou SOFC

(l’électrolyte est le milieu conducteur ionique entre les deux électrodes, il peut être une

solution aqueuse acide ou basique, une membrane polymère échangeuse de protons ).

III-4-1. Structures mono polaires et bipolaires :

Les premiers appareils d’électrolyse disposaient d’électrodes mono polaires(c'est-à-dire que

chaque anode est connectée au pôle positif et chaque cathode au pôle négatif), les

cellules d’électrolyse fonctionnent alors en parallèle.

Les systèmes bipolaires, développés par la suite, utilisent des plaques jouant le rôle d’anode

d’un côté et de cathode de l’autre, les cellules d’électrolyse fonctionnent alors en série.

La conduction électrique s’opère à l’intérieur de l’électrode au travers de son

épaisseur, permettant ainsi une limitation de la chute ohmique. Les assemblages bipolaires

offrent l’avantage d’une densité de courant plus élevée et d’une meilleure compacité.

Cette conception introduit cependant une difficulté supplémentaire: l’électrode présente

une face en milieu oxydant (anode) et une en milieu réducteur (cathode). Néanmoins, la

grande majorité des systèmes industriels reposent sur la technologie bipolaire, alors

que quelques fournisseurs d’électrolyseurs de petite capacité proposent encore des

structures mono polaires. Dans tous les cas, les recherches sur les matériaux sont

fondamentales. Les cellules d’électrolyse doivent être étanches, isolées électriquement et

résistantes à la corrosion dans des conditions de température et pression parfois élevées.


Page 51

III-4-2. Electrolyse alcaline :

III-4-2-1 .Principe :

Le principe de ce type d’électrolyse est représenté sur la figure suivante :

Les réactions sur les électrodes sont les suivantes :

-A la cathode :

2H + 2e- H2 ……..(41)

-A l’anode :

H2O

O2 +2H+ +2e-……..(42)

Figure III-6 L’électrolyse alcaline

L’électrolyse alcaline est le procédé le plus employé dans l’industrie et donc mature.

Les électrolyseurs se présentent en modules de petite ou moyenne capacité (0,5-800 Nm3/h

d’hydrogène), utilisant une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (ou potasse) dont la

concentration varie en fonction de la température (typiquement de 25% en masse à 80°C

jusqu’à 40% à 160°C). La potasse est préférée à la soude, essentiellement pour des

raisons de conductivité supérieure à niveau de température équivalent et de meilleur

contrôle des impuretés chlorures et sulfates. Les modules comprennent généralement : une

alimentation électrique, les cellules d’électrolyse, une unité de purification de l’eau, une

unité de déshumidification des gaz, une unité de purification de l’hydrogène, un

compresseur et un système de contrôle-commande.

Certaines technologies d’électrolyseurs fonctionnent directement sous pression. Les modules

de petite capacité opèrent typiquement de 3 à 30 bars.


Page 52

III-4-2-2. Les matériaux :

L’anode est généralement en nickel ou en acier doux. Un dépôt surfacique catalytique

est utilisé pour réduire les surtensions cathodiques. Il est constitué d’alliages de Nickel

(Nickel Soufre, Nickel de Raney, Nickel-Zinc) ou d’oxydes métalliques (alliages de Fer,

Cobalt et Tungstène). En 2002, de nombreuses recherches ont encore lieu pour développer de

nouveaux alliages de Nickel. Les alliages associés aux métaux de transition tels que Al, Zn,

Fe, Co, Cr et Mo sont présentés comme les plus prometteurs.

La cathode est en acier nickelé ou en nickel massif. Le dépôt catalytique est un alliage Ni-Co

avec une structure spinelle.

Le diaphragme apparaît comme un élément clé des électrolyseurs alcalins au même titre que

les électrodes. Jusqu’au milieu des années 90, le matériau le plus utilisé pour

constituer le diaphragme est l’amiante. Les problèmes de santé relatifs à l’amiante ont

conduit au développement de matériaux de substitution. La Zircone était proposée mais non

compatible avec une utilisation industrielle en raison de son coût élevé. Aujourd’hui, le

matériau de base des diaphragmes semble être le nickel, sous formes d’oxydes.

III-4-3. Electrolyse acide PEM (Proton Exchange Membrane) :

III-4-3-1.Principe :

L’électrolyse acide se distingue de la précédente par un électrolyte solide à membrane

polymère PEM conductrice de protons. Les avantages de cette technologie sont

l’absence d’électrolyte liquide, la compacité, la simplicité du design et du

fonctionnement, la limitation des problèmes de corrosion, des performances sensiblement

supérieures et une moindre influence de la variation des conditions d’entrée (intéressant pour

les sources renouvelables intermittentes). Cependant le coût de la membrane polymère et

l’utilisation d’électro-catalyseurs à base de métaux nobles, conduisent à des équipements

plus onéreux que les électrolyseurs alcalins de même capacité. L’électrolyse à

membrane polymère est considérée, néanmoins, par beaucoup, comme une technologie

d’avenir car elle bénéficie des nombreux développements sur les piles à combustible de

technologie comparable (PEM), et de la réduction des coûts associée.


Page 53

L’électrolyse à membrane polymère de petite capacité est d’ores et déjà une

technologie mature, utilisée depuis plusieurs dizaines d’années pour des applications sous-

marines (usines à oxygène à bord des sous-marins nucléaires américains et britanniques)

et spatiales (pour la génération d’oxygène dans les compartiments vie). Ces unités peuvent

opérer de la pression atmosphérique à plusieurs dizaines de bars, voire quelques centaines de

bars.

Ce type d’électrolyseur est particulièrement adapté au couplage avec une source

d’énergie renouvelable car il supporte, mieux que l’électrolyse alcaline, les variations de

puissance électrique disponible. De plus, au vu des meilleures performances des

électrolyseurs disponibles, ce type d’électrolyse acide a un meilleur rendement (5 à

10points de plus) que celui de l’électrolyse alcaline.

Les normes ou de codes sur la conception ou l’installation d’électrolyseur de petite capacité

sont en cours d’élaboration, notamment au sein de l’ISO TC 197, dédié aux technologies de

l’hydrogène.

A l’anode :

2H2O⇒ O2 + 4H+ + 4e-..….(43)

A la cathode :

++- ⇒ H2……..(44)

Figure III-7 L’électrolyse PEM


Page 54

III-4-3-2. Les matériaux :

L’anode est constituée d’un composite graphite-PTFE collé à un treillis métallique en laiton,

le collecteur de courant étant composé pour sa part de titane. Le catalyseur est

constitué d’oxydes de métaux nobles à base de ruthénium (Ru) et d’iridium (Ir).

La cathode est constituée de graphite poreux avec un dépôt catalytique de platine ou d’oxyde

métallique. Mais le coût du platine étant élevé, les recherches actuelles visent à remplacer ce

catalyseur.

L’électrolyte de l’électrolyseur PEM joue à la fois le rôle de conducteur protonique et

de diaphragme. Il est constitué d’une membrane composée de fluor polymère solide

comprenant des groupements acides sulfoniques (SO3H). Ces groupes se transforment

aisément en leur base conjuguée, selon la réaction suivante, sous l’action d’un champ

électrique :

H2O + SO3H ⟹ SO3- + H3O

+……..(45)

La membrane joue donc le rôle d’un conducteur protonique puisque la migration des ions H+

est assurée par la transformation des groupements sulfoniques en ions SO3-. Elle

nécessite d’être constamment humidifiée sous peine de voir sa conductivité diminuer.

Actuellement, la membrane la plus utilisée est la membrane dite nafion commercialisée par

Dupont de Nemours. De nombreuses recherches sont encours afin de trouver un matériau de

substitution au nafion en raison de son prix élevé.

III-5. ELECTROLYTE A HAUTE TEMPERATURE (PCFC ou SOFC) :

III-5-1.Principe :

Le principe de l’électrolyse à haute température repose sur la décomposition des molécules

d’eau sous forme vapeur au niveau de la cathode. Cette décomposition dépend alors

de la nature de l’électrolyte. Celui-ci peut assurer soit une conduction protonique soit

une conduction des ions super oxydes O2-. Les réactions mises en jeu au niveau des électrodes

sont décrites ci-dessous en fonction du type d’électrolyte :


Page 55

Electrolyte à conduction d’ions superoxydes :

A l’anode: 2O2- ⇒ O2 + 4e-…….(46)

A la cathode : 2H2O + 4e- ⇒ 2O2- + 2H2…….(47)

Electrolyte à conduction protonique :

A l’anode : 2H2O ⇒ O2 + 4H+ + 4e-……….(48)

A la cathode : 4H+ + 4e- ⇒2H2………….(49)

Figure III-8 : principe de l'électrolyse à haute température selon le type d'électrolyte

D’un point de vue thermodynamique, l’électrolyse de l’eau à haute température est

plus intéressante car l’énergie d’électrolyse est apportée à la fois par la chaleur et

l’électricité. Le principal avantage de ce type d’électrolyse est que la majeure partie de

l’énergie d’électrolyse est apportée par la chaleur qui est beaucoup moins chère que

l’électricité. D’un point de vue cinétique, l’augmentation de température permet de

diminuer l’ensemble des surtensions d’électrodes et donc de diminuer la consommation

d’énergie électrique.

L’électrolyse à haute température s’effectue dans une gamme de températures qui

varient entre 700 et 1000 °C. La tension d’une cellule varie entre 0,8 et 0,9 V à courant nul,

au lieu d’environ 1,25 V (à 70 °C) pour l’électrolyse alcaline. Au niveau du cœur de


Page 56

l’électrolyseur, l’énergie nécessaire à la production d’1 Nm3d’hydrogène est comprise

entre 3 et 3,5 kWh ; le rendement énergétique est compris entre 80 et 90 %.

III-5-2. Les matériaux :

L’anode est constituée soit de manganites soit de chromites de lanthane, avec comme

catalyseur du nickel de Cermet (Ni+ZrO2).

La cathode est constituée de billes de nickel cofritté ou de cobalt voire de nickel de Cermet.

L’emploi de cobalt est limité en raison de sa trop grande réactivité. Des oxydes

mixtes de structures pérovskites La-xSrxMO3-δ (M : Mn, Co) sont également utilisés.

Les catalyseurs employés à la cathode sont à base d’oxyde de cérium. Il existe deux types

d’électrolyte, les électrolytes à conduction d’ions super oxydes et ceux à conduction

protonique. Dans le cas de l’électrolyte à conduction d’ions super oxydes, on utilise une

céramique en zircone. Concernant l’électrolyte à conduction protonique, on utilise les oxydes

de cérium et de zircone. L’emploi de matériaux céramiques pour l’électrolyte présente

certains avantages tels que l’absence de corrosion mais la fragilité des matériaux

céramiques limite la taille des cellules d’électrolyse envisageables.

III-6. COMPARAISON DES DIFFERENTS TECHNOLOGIES

D’ELECTROLYSE :

Le tableau suivant résume les principaux avantages et inconvénient des différentes techniques

de production de l’hydrogène par électrolyse de l’eau.


Page 57

Electrolyse alcaline Electrolyse PEM Electrolyse à haute température

Avantages

-Technologie mature -Catalyseur non noble - Stack au niveau du MW

-Réponse rapide aux variations de charge -capacité du système (fonctionnement a fortes densités de courant) -Haute pureté des gaz produits -Durabilité -Fonctionnement a haute pression

-Rendement électrique élevé -Diminution des couts d’électricité nécessaire -Fonctionnement a haute pression -Catalyseur non noble -Compacité du système (fonctionnement a fortes densités de courant)

Inconvénients

-Faibles densités de courant -Faible pureté des gaz à cause de la perméation A travers le diaphragme -Systèmes non compactes a cause de l’utilisation d’un électrolyte liquide -Faibles pression de fonctionnement -Délai de réponse lors de variations de régime

-Environnement très oxydant qui limite l’éventail de matériaux potentiellement utilisables -Cout des catalyseurs (métaux nobles), de l’électrolyte solide, des plaques bipolaires et des collecteurs de courant en titane -Stack inférieur au Mw

-Développement a l’échelle du laboratoire -Durabilité

Tableau 8 : avantages et inconvenants des différents technologies d’électrolyse

CHAPITE IV

Installation du système

CHAPITR IV : Installation du système

Page 58

IV-1. INTRODUCTION:

Différents cas d’application potentiels du stockage électrique via l’hydrogène électrolytique

(Unité de Stockage d’Energie via l’Hydrogène, USEH) ont été évalués afin de

déterminer selon un certain nombre de critères techniques, quelles sont les applications

réellement envisageables pour ce type de stockage ?

Nous avons mit en place une installation d’expérimentation au Pole Universitaire Colonel

Akli Mohand Mulhadj- Bouira, à la faculté des sciences et sciences appliquées, cette

installation est dédiée a l’étude et la caractérisation d’un module photovoltaïque, et un

électrolyseur réalisé localement. Afin d’étudier un système de production d’hydrogène

propre.

IV-2. BUT DU TRAVAIL:

L’objectif de notre travail est de crée et développé un modèle présentatif de fonctionnement

de couplage directe entre un générateur PV et un électrolyseur alcaline pour déterminé des

conditions les plus favorables pour un système de production d’hydrogène solaire.

IV-3. PRESENTATION DU SITE :

La wilaya de Bouira se situe dans la région Centre Nord du pays. Elle s’étend sur une

superficie de 4456,26 km² représentant 0,19% du territoire national. Le chef lieu de

wilaya est situé à près de 120 km de la capitale Alger. Elle a une population totale estimée à

695 583 habitants en 2013.

La wilaya de Bouira est délimitée :

au nord par la wilaya de Tizi-Ouzou;

à l'est par la wilaya de Bordj Bou Arreridj;

au sud par la wilaya de M'Sila;

à l’ouest par les wilayas de Médéa et de Blida.

Figure IV

La ville de Bouira se trouve à une altitude de

3,9878 de Longitude Elle est caractérisée par un climat chaud et sec en été, froid et pluvieux

en hiver. La pluviométrie moyenne est de

sud. Les températures varient entre 20 et

à mars.

L'insolation solaire moyenne est estimée en tant que 2400 kWh/m

les précipitations sont en moyenne de 659 mm

L'humidité relative enregistre des taux tournant de

a-Température


IV-.1: Situation de la Wilaya de Bouira

La ville de Bouira se trouve à une altitude de 525 mètres et 36,2835° de latitude et


moyenne est de 660 mm/an au nord et de 400 mm

sud. Les températures varient entre 20 et 40 °C de mai à septembre et de 2 à

L'insolation solaire moyenne est estimée en tant que 2400 kWh/m

ont en moyenne de 659 mm

L'humidité relative enregistre des taux tournant de 32 à 92 %

Température b-précipitations

: Installation du système

Page 59

mètres et 36,2835° de latitude et


mm/an dans la partie

de mai à septembre et de 2 à 12 °C de janvier

L'insolation solaire moyenne est estimée en tant que 2400 kWh/m2 annuellement

précipitations

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pluviom%C3%A9trie

c-humidité

Figure IV-2

IV-4. ELEMENTS DU SYSTEME

Notre système (voir figure IV-3) étudié est composé de deux éléments principaux :

Générateur Photovoltaïque : les panneaux solaires.

La charge : l’électrolyseur d’eau.

Et pour le suivi des expériences, on utilise quelques appareils de mesures tels que le

pyranomètre, deux multimètres et le chronomètre

Figure IV


humidité

2: Données climatiques de la région de Bouira

. ELEMENTS DU SYSTEME :

) étudié est composé de deux éléments principaux :

Générateur Photovoltaïque : les panneaux solaires.

La charge : l’électrolyseur d’eau.


pyranomètre, deux multimètres et le chronomètre

IV-3: Montage de l’expérience

: Installation du système

Page 60

de Bouira

) étudié est composé de deux éléments principaux :



Page 61

IV-4-1. Générateur photovoltaïque :

Le module solaire photovoltaïque (figure IV-4) est un générateur électrique de courant

continu constitué 36 cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement. . Notre

module est disposés sur la cour du pole universitaire de Bouira, qui permet de supporter

le champ solaire avec un angle d’inclinaison fixé à 45° .

Figure IV-4: Module solaire photovoltaïque KPV-170

Les modules solaires utilisés dans notre système sont de type KPV-170, à technologie

monocristalline et qui possèdent les caractéristiques présentées au tableau ci-dessous :

Paramètres électriques Module solaire

numéro de modèle

Puissance maximal

Tolérance de sortie

Courant à la puissance maximale [IPM]

Tension a la puissance maximale [VPM]

Courant de cour circuit [ICC]

Tension de circuit ouvert [VCO]

Température nominale de fonctionnement

Longueur [mm]

Largeur [mm]

Poids [kg]

Nombres de cellules

STP085B-12/BEA

85W

± 5%

4.8A

17.8V

5.15A

22.2V

45c°±2c°

1195

541

8

36 Tableau 9 : caractéristiques de module solaire photovoltaïque KPV-170


Page 62

IV-4-2. Electrolyseur :

L’électrolyseur étudier est un électrolyseur alcaline réalisé localement constituer d’une cuve

en polycarbonate dans la quelle deus électrodes sont émergée (figure IV-5)

Une cathode, électrode négative fabriqué en graphite pour la génération de

l'hydrogène.

Une anode, électrode positive aussi en graphite, pour la génération de l'oxygène.

La cellule est raccordée au courant produit par le panneau photovoltaïque.

L'hydrogène généré et stocké dans le tube gradué.

Figure IV-5: L’électrolyseur utilisé

IV-4-3. Les appareils de mesures :

IV-4-3-1.Pyranomètre :

Un Pyranomètre est un appareil de mesure du rayonnement global solaire reçu par une

surface plane sous un angle solide de 2π. Le rayonnement direct est un composant essentiel

du bilan d’énergie. L’unité est donc des watts /mètre carré (W / m²).


Page 63

Données techniques du pyranomètre :

Dimensions: 185 x 108 x 56 mm.

Alimentation: 9V Batterie.

Range de mesure: 0-1999 W/.

Résolution: 1 W/.

Précision: +/-5% de l’échelle.

Figure IV-6: Pyranomètre

IV-4-3-2. Multimètre :

Le multimètre est un appareil de mesure qui possède plusieurs fonctions. Il peut être utilisé

comme : Ampèremètre, Voltmètre, Ohmmètre ……..

Dans notre travail en a utiliser deux multimètres le premier comme voltamètre et le deuxième

comme Ampèremètre.

a. Voltmètre :

Le voltmètre est un appareil qui permet de mesurer la

tension (ou différence de potentiel électrique) entre deux

points, grandeur dont l'unité de mesure est le volt (V)

Figure IV-7 : Voltmètre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Volt


Page 64

b. Ampèremètre :

Un ampèremètre est un appareil de mesure de

l'intensité d'un courant électrique dans un circuit.

L'unité de mesure de l'intensité est l'ampère, symbole : A.

Figure IV-8 : Ampèremètre

IV-4-3-3. Chronomètre :

Un chronomètre désigne un instrument servant à mesurer le

temps de manière précise.

Le nom est dérivé du grec chronos, signifiant le temps et du latin

metrum signifiant mesuré. L’on utilise pour déterminer le temps

qu’il faut pour remplir le tube gradué de l’hydrogène.

Figure IV-9 : Chronomètre

IV-4-3-4. Thermomètre :

Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer

et à afficher la valeur de la température de la solution.

Figure IV-10 : Thermomètre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Appareil_de_mesure

http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Unit%C3%A9_de_mesure

http://fr.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A8re_%28unit%C3%A9%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Symbole

http://fr.wikipedia.org/wiki/Grec_ancien


Page 65

IV-5 PARTIE EXPERIMENTALE :

IV-5-1.Premier partie : études des caractéristiques du module solaire et les caractéristiques

d’électrolyseur

Nous avons élaboré deux montages; l’un pour étudier les caractéristique I-V des

panneaux solaires et l’autre pour étudier les caractéristiques d’électrolyseur à l’aide d’un

générateur électrique

IV-5-1-1. Caractéristique du module solaire KPV-170 :

Dés lors qu’on commence à s’intéresser au photovoltaïque, le choix de panneau nécessite la

comparaison de leur caractéristique (le courant Ipv et la tension Vpv), Pour les déterminer

nous avons effectué une série de mesures de la tension et du courant et ceci dépend de

l’éclairement solaire en faisant mesuré la valeur de (I et V) Selon le schéma de montage

suivant :

Figure IV-11 : Montage électrique de l'expérience d’étude des caractéristiques I-V des

panneaux solaires

Les relevés des valeurs du courant et de tension nous permettent de tracer la courbe des

caractéristiques I-V du panneau à chaque éclairement mesuré.

IV-5-1-2. Optimisation des paramètres d'électrolyseur :

L’analyse du système nous permet de voir l’évolution du fonctionnement de

l’électrolyseur dans plusieurs conditions et ceci en faisant varier les différents paramètres.

Nous avons menés plusieurs expériences pour observer l'effet de ces paramètres sur le

fonctionnement tels que la concentration, la température et l'électrolyte.


Page 66

Montage

On à relier l’électrolyseur a la source d’alimentation réglable selon le schéma suivant :

Figure IV-12 montage servant a déterminé les caractéristiques d’électrolyseur

A. Le choix d’électrolyte :

Pour déterminer l’effet de l’électrolyte sur le débit d’hydrogène produit on a réalisé trois

expériences dans des conditions de tension et température constantes (U=10V, T=22C°)

Comme indiqué ci-dessus :

On a utilisé l’eau de robinet

l’eau distillée avec une concentration de 10g /l de bicarbonate de sodium (NaHCO3)

l’eau distillée avec une concentration de 10 g/l de chlorure de sodium (NaCl)

B. l’effet de la concentration d’électrolyte :

Les expériences présidentes nous a parmi de constaté l’effet d’électrolyte sur la production

d’hydrogène dans des conditions standard et parmi ces condition on a la concentration

d’électrolyte.

La question qui se pose est ce que le changement de la concentration influe sur les résultats

précédentes ?

Pour rependre a cette question on élaboré des expériences pour des conditions de

température, tension et de volume constants et on a varié la concentration de l’électrolyte

entre 10g/l et 30g/l (NaCl)


Page 67

C. l’effet de la température de la solution :

La température initiale avec laquelle on démarre une expérience joue un rôle

important surtout dans l’évolution de la conductivité électrique d’électrolyte, ce qui

engendre une variation du courant et du débit d’hydrogène produit. Ces mesures sont faites

de manière instantanée (concentration de NaCl et tension fixe (30g/l ,10V)) pour que la

température de la solution reste constante et égale à la température initiale choisie

IV-5-2.Deuxième partie : étude des caractéristiques de système de production d’hydrogène

solaire (couplage PV-électrolyseur).

Le but de cette étude a été d’évaluer le fonctionnement du système dans son ensemble,

plus particulièrement la chaîne de production d’hydrogène. Cette étude comporte la

représentation de fonctionnement du système sur un jour type. Le montage de cette étude

est présenté sur la figure III.3. Les intensités de l’éclairement solaire sont mesurées

chaque heure.

Le couplage direct (voir figure IV-12) semble être la configuration la plus efficace car elle

évite les pertes dans un convertisseur

Figure IV-13: Système électrolyseur-panneaux PV


Page 68

IV-5-3 .Paramètres de calcul :

Les paramètres de calcul sont les termes qu’on ne peut pas mesurer et qui sont

nécessaires pour l'analyse de fonctionnement des sous-systèmes de production. Pour ce

faire, nous utilisons des relations mathématiques explicites.

*calcule de rendement de panneau photovoltaïque : c’est le rapport de la puissance

photovoltaïque sur la puissance du rayonnement solaire :

=

.……(50)

*Puissance absorbé par l’électrolyseur : est la puissance consommée par l’électrolyseur

pour électrolyser l’eau; dans notre étude c’est la puissance photovoltaïque ;

Pm=V.I……(51)

* Puissance utile par l’électrolyse: est la puissance utilisée par l’électrolyseur pour

produire l’hydrogène.

Pu=Ie .Ve …….(52)

* L’énergie électrique consommée : est le produit de la puissance photovoltaïque au temps

W = Pm .t …….(53)

*Rendement d’électrolyseur : est donné par la relation suivante :

ηe =

=

.

. . …...(54)

*Rendement faraday : est le rapport entre la quantité réelle de gaz produit et la quantité de

gaz théorie calculer

ηF =

……..(55)


Page 69

*Rendement d’adaptation : est le rapport de la puissance utile de l’électrolyseur et la

puissance maximale de PV

ηu = .

. …….(56)

*Rendement globale : est le rapport de débit d’hydrogène produit multiplier PCSH2 et

l’éclairement soleil multiplier la surface de PV

ηg = .

.……..(57)

CHAPITRE V

Résultats et interprétations

CHAPITRE V : résultats et interprétation

Page 70

V-1.INTRODUCTION :

Dans ce chapitre sont exposés les résultats obtenus pour différents expériences et

manipulations étudiées. Dans le cadre de notre étude, nous avons souligné l’importance de la

corrélation entre le profil de consommation de l’utilisateur final et le profil de production de

la source renouvelable. Nous détaillerons ici comment nous avons élaboré le calcul de

critères permettant de quantifier cette corrélation.

V-2. CARACTERISTIQUE COURANT-TENSION (caractéristique de

puissance du module solaire) :

V-2-1.Etude des caractéristiques IPV-VPV des panneaux solaires :

Nous avons utilisé la méthode expérimentale pour la détermination des caractéristique Ipv_Vpv

de panneau solaire ou on a utilisé un montage électrique décrit dans la figure

Figure (V-1):caractéristique courant-tension du module solaire

V-2-2.Etude des caractéristiques de puissance de module solaires :

La puissance électrique délivrée par le module photovoltaïque est le produit de la tension et du

courant qu'il génère. Ces deux grandeurs courant-tension délivrées par le module photovoltaïque

dépendent des différents paramètres tels que l’éclairement solaire et le système de montage des

panneaux (série ou parallèle).

0

1

2

3

4

5

6

17 17,5 18 18,5 19 19,5 20 20,5

Cou

ran

t (A

)

Tenssion (V)


Page 71

Figure (V-2):Courbe de puissance du module solaire

Les résultats obtenus nous permettent de tracer l’évolution du courant et la puissance

photovoltaïque en fonction de la tension comme représentés sur les deux figures (V-1)et

(V-2).

Pour les faibles tensions on remarque que la courbe de courant est stable malgré

l’augmentation de la tension jusqu'à la valeur de 19,45V ou la courbe de courant commence

a diminué c’est le point de puissance maximale de module solaire. Pour ce qui est de la

puissance, nous remarquons une évolution croissante quasi-linéaire en fonction de la

tension jusqu'à la valeur de 19,45V atteignant une puissance maximale de 98,18W, après on

remarque une chute de puissance. Cette chute de puissance est résultante de la baisse de

courant.

Le point le plus élevé sur la courbe de puissance c’est le point ou la puissance électrique est

maximale (Pmax) il se trouve à l’endroit ou le produit des valeurs de tension et d’intensité est

le plus important

Pmax=Umax .Imax………(58)

Dans notre cas, il se trouve a : Pmax= 19,45. 5,04 = 98 ,18 W

0

20

40

60

80

100

120

17 17,5 18 18,5 19 19,5 20 20,5

pu

issa

nce

en

(W

)

Tension (V)


Page 72

V-2-3.Le rendement du module PV :

Le module solaire fournit la puissance électrique la plus élevée au point de puissance

maximale. La valeur de Pmax dans notre cas P=Pmax=98,18 et est obtenue a 11h00 de

matin.

L’appareil de mesurant la puissance de rayonnement mesure le flux énergétique de la

lumière en fonction de la surface, et au point Pmax on a un rayonnement solaire E=

1000 W/m2

La surface de module solaire : A=1,195*0,541 = 0,646m2

D’où le rendement de module solaire:

η =

………. (59)

AN :

ηPV = ,

,

= 0,152 = 15,2 %

Discussion :

Le rendement théorique des cellules solaire en monocristallines est compris entre 14 et

18 %, le rendement calculé ici est égale a 15,2%.l’expérience que nous avons réalisé nous

apportent d’un meilleur rendement de module solaire, cela peut expliquer par l’adaptation de

panneau solaire a la situation géographique de cite de l’expérience.

V-3. ETUDE DES CARACTERISTIQUES DE L’ELECTROLYSEUR

Pour connaître le fonctionnement d’un électrolyseur et effectuer un bilan énergétique ou de

puissance, il faut d’abord tracer ces caractéristiques, c'est-à-dire faire une étude qui nous

permet d’obtenir l’influence de quelques paramètres de travail tels que : la tension, la

température de l’électrolyte et la concentration d’électrolyte. L’influence de ces


Page 73

paramètres sur le courant et le débit d’hydrogène est observée, d’où l’intérêt d’examiner

l’évolution de ces paramètres.

Figure (V-3) : Evolution de production d’hydrogène en fonction du courant d’électrolyseur

La figure (V-3) on a utilisé l’eau de robinet pour représenter l’évolution de production

d’hydrogène en fonction du courant d’électrolyseur à température constantes (22,2c°). Dans

cette figure, on observe bien d’un accroissement linéaire du débit d'hydrogène en fonction

du courant.

Nous constatons aussi suite aux expériences, que dans l’électrolyseur de type alcalin,

la consommation d’eau dans ce dernier est proportionnelle à la production

d’hydrogène et donc au courant d’électrolyse.

V-3-1.Choix d’électrolyte:

Afin de faire comprendre l’influence de l’électrolyte sur l’électrolyse de l’eau, nous avons

testé deux électrolytes qui sont disponibles sur le marché (NaCl et NaHCO3) dans des

conditions de température et tension et concentration standard (T=22,2C°, U= 10V,

C=10g/l), et on a comparé leurs résultats au celle obtenue a partir de l’électrolyse de l’eau

de robinet.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

QH

2(m

l/m

in)

Ie (A)


Page 74

Figure (V-4 ) : Evolution de production d’hydrogène en fonction temps pour déférents

électrolytes.

Si on compare entre le volume d’hydrogène produit a partir de l’électrolyse de l’eau de

robinet et le volume d’hydrogène produit a partir des deux d’autres solutions, on constate que

l’ajout d’électrolyte est très important pour améliorer l’électrolyse de l’eau. Il permet de

maintenir la tension électrique entre les électrodes de l’électrolyseur ce qui conduise a une

production importante de l’hydrogène.

On constate aussi que le volume d’hydrogène produit dépond de type de l’électrolyte, dans

notre cas on remarque que la production de l’hydrogène pour la solution eau distillé +

bicarbonate de sodium ( NaHCO 3) est faible par apport a la solution eau distillé+ chlorure

de sodium (NaCl)

Cette baisse de production d’hydrogène pour bicarbonate de sodium, peut s'expliquer par

la faible conductivité électrique de sa solution. Le NaCl a une base forte caractérisée par

leur forte conductivité qui augmente la concentration des ions hydroxydes, ces mêmes ions

contribuent à la formation de l'hydrogène au sein de la solution.

V-3-2.Effet de la concentration d’électrolyte:

Afin de connaitre la concentration d’électrolyte nécessaire pour une production

optimale d’hydrogène, on a mesuré l’évolution du courant électrique I et le volume

d’hydrogène à différentes concentrations de chlorure de sodium (NaCl) dans des condition

de température et tension constants ( T=22,2C°, U=10V).

0

1

2

3

4

5

6

0 30 60 90 120 150

VH

2(m

l)

temps (S)

Eau de robinet

NaHCO3

NaCl


Page 75

Figure (V-5): Evolution de volume d’hydrogène produit en fonction de temps pour des

déférentes concentrations de NaCl.

Figure (V-6): Evolution de courant électrique (I) en fonction des déférentes concentrations

de NaCl.

On remarque dans les deux figures précédentes que l’augmentation de la concentration de

l’électrolyte conduise à une évolution croissante quasi-linéaire avec le courant de

l’électrolyseur et le volume d’hydrogène produit.

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200

VH

2m

l

temps (S)

NaCl 10%

NaCl 20%

NaCl 30%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 10% 20% 30%

I (A

)

Concentration (g/l)


Page 76

Ps : Plus la concentration en électrolyte est élevée, plus l’électrolyseur produira du gaz H2.

Ceci est valable jusqu’à un certain point où l’eau est saturée en électrolyte, c’est à dire qu’il

ne se mélange plus à l’eau.

V-3-3.Effet de la température de l’électrolyte :

L’assemblage entre l’évolution de volume produit et le courant de l’électrolyseur avec la

variation de la température présente un multiple effet. La figure au dessous montre cette

influence

La variation de la température initiale de la solution présente un multiple effet sur le

courant d’électrolyseur et le volume d’hydrogène produit. Les figures au dessous montrent

cette influence :

Figure (V-7) : Evolution du volume d’hydrogène produit en fonction de temps à différentes

température initiale de la solution NaCl

0

2

4

6

8

10

12

0 30 60 90 120 150

VH

2 (m

l)

temps (S)

T=22,4 C°

T= 32 C°

T= 42C°


Page 77

Figure (V-8) : Evolution du courant d’électrolyseur en fonction de temps à différentes

température initiale de la solution NaCl

Les figures (V-7) présentes l’évolution du volume d’hydrogène produit et courant d’électrolyseur en

fonction de temps à différentes températures initiales de la solution NaCl et à concentration et

tension standard (C=30g/l et U=10V) .on remarque que l’augmentation de température initiale

(24 ,4.32. 42°C) produit a une augmentation du courant d’électrolyseur et du volume d’hydrogène

produit pour une même valeur de la tension.

Discutions des résultats :

Les déférents essais qu’on a effectué sur notre électrolyseur, nous ont permit de constaté l’influence

de plusieurs paramètres comme l’électrolyte et sa concentration, et la température initial de la

solution, et on est arrivé à dire que : Plus que on augmente la concentration de l’électrolyte et

la température initial de la solution, plus que la conductrice augmente ce qui nous permettra

récupérer beaucoup plus d‘hydrogène.

V-3-4.Rendement énergétique et Faraday de l’électrolyse :

a-Rendement énergétique : est donné par la relation :

ηe = é

=

.

. . ………. (60)

0,34

0,36

0,38

0,4

0,42

0,44

0,46

T=22,4 C° T=32 C° T= 42 C°

I (A

)

T (C°)


Page 78

AN:

ηe = .∗,

,∗.∗ = 0.1445=14,45%

ηe=14,45%

Discussion:

Dans notre exemple, le rendement énergétique de l’électrolyseur est de 14,45%. En d’autre

termes, 14,45% de m’énergie électrique qui alimente l’électrolyseur est stockée sous forme

d’hydrogène.

Les pertes proviennent des surtensions propres aux électrodes, et à la résistance interne de

l’électrolyseur et a des pertes de diffusion des gaz à l’intérieur de la cellule.

b-Rendement Faradique :

Le rendement Faraday de la cellule électrolyte est déterminé par le rapport entre la quantité

réelle de gaz produit et la quantité de gaz théorique calculé.

La deuxième loi de faraday et l’équation d’état liée à la quantité de matière appliquée aux

gaz permettent d’établir une relation entre le courant produit et la quantité de gaz théorique

produite par l’électrolyseur.

Interprétation:

D’après la deuxième loi de faraday :

Q= i. t = n.Z.F……..(61)

D’après l’équation d’état liée a la quantité de matière appliquée au gaz :

P .V = n . R .T………(62)

En liant les deux formules, le volume de gaz s’obtient comme suite :

V = ...

.. …………(63)

AN:

V =Vcalculer = ;.,..

.,.


Page 79

Vcalculer =5,7.10-7m3 =0.57ml

Le rendement Faraday se calcule à l’aide de la formule suivante :

ηf =

é……….(64)

ηf = ,

, = 0,87*100

ηf = 87%

Discussion:

La déférence entre le rendement Faradique et le rendement de l’électrolyseur est très grande.

Le courant électrique utilisé pour la réaction envisagée est très petit à cause des :

Impuretés de l’eau de robinet qui dégradent la surface des électrodes.

La surtension des câbles électrique et les électrodes.

par ce que notre électrolyseur a été réalisé localement, sans prise en compte la

matière et la surface des électrodes, et le couplage électrode-électrolyte idéale pour

un bon rendement.

Les Pertes : lecture, matérielle utilisé, pertes de la diffusion de gaz…..

V-4. ETUDE DE COUPLAGE PV-ELECTROLYSEUR :

L’étude du couplage du système PV-électrolyseur c’est le bute de notre travail. Pour

effectuer cet étude, nous avons choisi une journée claire (04/06/2015) et nous avons

effectué les mesures des différents paramètres servant pour la détermination des

caractéristiques pour les deux systèmes. en utilisant une alimentation directe PV pour le

fonctionnement de l’électrolyseur et une solution de NaCl eau distillé avec une

concentration de 15%.


Page 80

V-4-1.Etude du rayonnement solaire :

Le rayonnement solaire apporté par le soleil donne à la Terre de la chaleur et de la lumière.

Ce rayonnement peut être capté par un panneau photovoltaïque qui fournira de l’électricité.

L'analyse du rayonnement solaire vous permettrez de cartographier et d'analyser les effets du

soleil sur une zone géographique, au cours de périodes définies. Ils prennent en compte les

effets atmosphériques, la latitude et l'altitude du site, et la direction de boussole (exposition),

ainsi que les décalages de jour et de saison de l'angle du soleil.

0

Figure (V-9): Eclairement solaire pour deux plans (plan incliné à 45° et plan horizontal)

Sur la figure (V-9) on a présenté l’évolution de l’éclairement pour un plan incliné a 45° et un

plan horizontal de 9h a 15h.

(De 9h00 jusque au 11h00) : on remarque une augmentation de l’éclairement solaire pour

les deux plans jusqu’à une valeur maximale de (1080W/m2) pour le plan horizontal, et une

valeur de (1048W/m2)pour le plan incliné, avec une avantage du captage du rayonnements

solaire pour le plan incliné aux premiers heures de la journées par apport au plan horizontal

( De 11h00 jusque a 12h30) : puis on remarque que l’éclairement solaire pour le plans

incliné est presque stable par apport a l’éclairement obtenu par le plan horizontal qui

continu son augmentation ce qu’il lui donner l’avantage dans cette partie de l’ajournée.

0

200

400

600

800

1000

1200

9 10 11 12 13 14 15

E (

W/m

2)

temps (heures)

plan incliné (45°)

Plan horizontal


Page 81

(De 12h30 jusque au 14h00) : on remarque une augmentation continue de l’éclairement pour

le plan incliné jusque à une valeur maximale de (1100W/m2), et une faible diminution de

l’éclairement solaire pour le plan horizontal.

(De 14h00 jusque à 15h00): une diminution continue de l’éclairement dans les deux plans

jusqu’à atteindre de (989W/m2) pour le plan incliné, et (902W/m2) pour le plan horizontal

(ces dernières valeurs sont obtenues à 15h00).

Discussion des résultats :

L'éclairement solaire est variable en fonction du temps, et l'inclinaison de panneau solaire

par rapport à l'horizontale. Ceci nous conduit à dire que si le panneau est fixé pour un

seul angle d'inclinaison, on ne peut pas obtenir une grande puissance. Toutefois, nous

pouvons opter pour un angle optimal d’inclinaison pour chaque moment de la journée.

V-4-2.La variation de déférents paramètres en fonction de temps :

Figure (V-10) : La variation de l’éclairement E et la puissance PV mesurés.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

E (W/m) 973 992 1000 1040 1100 1060 989

Ppv(W) 96 97,85 98,18 96,6 92,82 94,08 95,41

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

900

950

1000

1050

1100

1150

E(W

/m)

PPV(W)


Page 82

Figure (V-11) : La variation de l’éclairement E et la puissance Pe mesurés

Figure (V-12) : La variation de l’éclairement E et le débet d’hydrogène mesurés.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

E(W/m) 973 992 1000 1040 1100 1060 989

Pe (W) 39,2 41,14 42,04 40,74 39,96 32,98 40,01

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

900

950

1000

1050

1100

1150E

(W

)

Pe(w)

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

E (W/m) 973 992 1000 1040 1100 1060 989

Q (ml/s) 0,31 0,32 0,36 0,3 0,29 0,24 0,33

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

900

950

1000

1050

1100

1150

E (

W/m

)

Q (

ml/

S)


Page 83

(De09 :00 jusqu’a 11 :00) : une évolution croissante quasi linéaire entre l’éclairement

solaire et la PPV ,Pe et QH2 ,

(De11 :00 jusqu'à 14 :00) : on remarque que l’éclairement solaire continu sont

augmentation, et de l’autre part on remarque une diminution de PPV , Pe et QH2.

(De14 :00 jusque a 15 :00) : on remarque que l’éclairement solaire commence a diminue,

par contre on remarque une augmentation pour la PPV, Pe et QH2 .

Discussion des résultats :

D'après cette description, on peut déduire une existence de corrélation entre

l'ensoleillement et le débit d'hydrogène. Au début on remarque une proportion directe entre

l’ensoleillent et la puissance du module solaire et celle de l’électrolyseur et le débit

d’hydrogène jusqu'à la puissance du module solaire atteigne sa valeur maximale (98,18 W a

11h00) après on peut constaté une proportion inverse entre l’éclairement et la PPV, Pe et QH2 .

V-5. EVOLUTION DU RENDEMENT :

Figure (V-13) : Evolution du rendement PV, et rendement d’électrolyseur en fonction du

temps.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

ηPV 15,1 15,17 15,2 14,37 13,06 13,7 14,93

ηe 10,06 9,91 10,91 9,38 9 9,5 9,9

0

2

4

6

8

10

12

14

16

η


Page 84

Les valeurs de rendement pour l’électrolyseur sont relativement faibles. Ils ne

dépassent pas 11 %. Par contre les valeurs de rendement pour le panneau PV sont très

importants (entre 13 et 15%), Ces résultats varient en fonction de l’éclairement solaire, pour

les fortes intensités du rayonnement solaire on a des faibles résultats. Par contre, le

rendement sera plus grand dans les moments de faible éclairement solaire (réveil et

coucher du soleil).

Discussion :

Le faible rendement de l’électrolyseur est dû essentiellement à la faible concentration

d’électrolyte. Nous pouvons noter que dans le cas des électrolyseurs industriels, la

concentration utilisée est d’environ 25% de masse ; et ce qui donne un rendement industriel

d’environ 60% à 80%.

V-6.LE RENDEMENT DE SYSTEME :

Figure (V-14) : Evolution du rendement du système PV-électrolyseur en fonction du temps

Les résultats obtenus du rendement sont faibles, à cause des faibles résultats de

rendement d’électrolyseur. Ceci montre que les paramètres du sous-système auraient un

effet important sur le couplage du deux sous-systèmes, présenté par l’effet de

l’éclairement solaire, température d’électrolyte, concentration de l’électrolyte, le choix

d’électrolyte, la tension et le courant de la cellule d’électrolyse.

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00

ηS 0,62% 0,63% 0,71% 1% 0,52% 0,47% 0,66%

0,00%

0,10%

0,20%

0,30%

0,40%

0,50%

0,60%

0,70%

0,80%

Ren

dem

ent

de

syst

eme


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V-7.BILAN ENERGETIQUE :

V-7-1.Bilan énergétique arrondi de la décomposition d'Une molécule d'eau:

H2O → H2 + ½O2 ………….(65)

La molécule d’eau H2O est constituée de 2 liaisons O-H et chaque liaison a une

énergie molaire de 460 Kj, ce qui représente 2× 460= 920Kj pour une mole d’eau.

La rupture des liaisons O-H des molécules d’eau pour une mole d’eau nécessite

l’apport de 920Kj/mole (coté gauche de l’équation). Cependant la recombinaison des atomes

d’hydrogène H en H2 (hydrogène gazeux) produit une énergie qui vient, dans le bilan, en

déduction de la précédente :

H-H H2 Cette recomposition apporte 432Kj/mol.

De même pour la recomposition des atomes d’oxygène :

12 O-O 1 2 O2 Cette réaction libère 1 2 X 494 K j soit 247KJ/mol.

L’énergie consommée pour l’opération de dissociation de l’eau est finalement de :

920 - 432 - 247=241kj/mol

Discussion :

Pour la production d’une mole d’hydrogène on a besoin de 241Kj/mol. Sachant que

le pouvoir calorifique moyen de l’hydrogène PCm = 286 Kj/mol on se retrouve dans une

situation de gain d’énergétique du fait qu’on en gagne plus qu’on en consomme.

V-7-2.Etude énergétique de notre installation :

Le montage réalisé nous a permis de convertir l’énergie solaire en énergie chimique sous

forme d’hydrogène. Mais la question qui se pose est : avons-nous récupéré l’énergie qu’on a

consommée ? Pour répondre à cette question il faut qu’on calcule le taux d’énergie sous

forme l’hydrogène produit et le taux d’énergie sous forme d’électricité consommé.


Page 86

Calcule du volume d’hydrogène produit pendant la manipulation :

D’après les de la manipulation, on es arrivé a avoir un débit moyen de l’hydrogène produit

qu’est égale a :

= 0,32ml /S

D’où le volume d’hydrogène produit pondant tout la manipulation :

VH2=

× t………… (66)

AN:

VH2 =0, 32 × 7 ×3600

VH2 = 8064ml

V-7-3.Calculer l’énergie produit

EH2 = VH2 × PCS ………..(67)

EH2 = 8064 × 12,745

EP = EH2 = 102776 j = 102,776 Kj

V-7-4.Calculer l’énergie consommée:

On a la puissance moyenne consommé = 39 W

D’où l’énergie consommé :

EC = 39 × 7 ×3600

EC = 982800 j = 982,8 Kj

Discussion :

Il est évident que ces résultats montre que le panneau solaire utiliser est surdimensionné en

effet aurait fallu raccorder plusieurs électrolyseurs en parallèles.


Page 87

V-8.LES AVENTAGES ET LE LES INCONVENIENTS DU SYSTEME :

Les avenages les inconvénients

- Produire sans émission de gaz à effet de

serre, ni de rejets polluants:

de l'énergie mécanique ou de la

chaleur.

de l'électricité grâce à la pile à

combustible (un convertisseur à

haut rendement).

- Permettre le stockage des énergies

renouvelables. (sous forme d’énergie

chimique)

-simplicité du système de production.

-faible cout de réalisation de système.

-mobilité de système de production

(l'hydrogène semble inépuisable et est

présent partout sous forme d'eau, il peut

donc être produit dans tous les pays)

- Système du production encombrant.

- Dépendance des paramètres

incontrôlable (soleil).

- les difficultés du stockage de

l'hydrogène

Tableau (10) : les avantages et les inconvénients du système de production d’hydrogène solaire.

Conclusion générale


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CONCLUSION GENERALE :

Au vue de l’augmentation de la demande mondiale d’énergie, de la raréfaction, à terme, de

certaines énergies primaires (pétrole et gaz) et de l’accélération du réchauffement

climatique, fortement lié aux émissions de gaz à effet de serre parle secteur énergétique et

les transports, le recours à l’hydrogène (H2) comme vecteur énergétique est l’une des

solutions envisagées pour l’avenir énergétique.

Si on ne regarde que du point de vue de l'utilisation, l'hydrogène semble être la

meilleure solution pour sortir de la crise énergétique et environnementale actuelle. En

effet, l'hydrogène semble inépuisable et est présent partout sous forme d'eau, De plus, il ne

crée a priori aucune pollution.

L'électrolyse de l'eau est le moyen le plus propre pour l'obtenir. Dans cette étude, la

technologie liée à l'hydrogène solaire a été évaluée d'un point de vue technique. Les

principaux éléments constituant le système n'étant pas encore commercialisés, l'évaluation

économique de ce type de système a été délibérément omise.

Dans ce travail, les différentes technologies de production, d'utilisation, de distribution et de

stockage de l'hydrogène ont été décrites et analysées. Et nous avons étudié le comportement

d'un panneau photovoltaïque et un électrolyseur alcalin réalisé localement. Apres on a fait un

couplage entre les deux systèmes pour assurer la production d’hydrogène par électrolyse de

l'eau dont les ressources énergétiques sont solaires.

Les résultats obtenus permettent d’étudier le fonctionnement du système PV pour un

électrolyseur alcalin comme une charge et Université akli mohand oulhadj de Bouira

comme un site. L’étude de l’influence de quelques paramètres sur le processus

d’électrolyse d’eau révélé les comportements suivants :

L’évolution de débit d’hydrogène en fonction de courant d’électrolyseur est une

évolution linéaire qui dépend pratiquement des phénomènes de dissociation de l’eau.

Un changement de l’éclairement solaire produise un changement du courant

d’électrolyse d’eau suivi par une variation du débit d’hydrogène dégagé. Ces

deux paramètres conduisent à une influence du rendement du système.


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Une augmentation de la tension d’électrolyseur présente une élévation de

courant à cause de l’augmentation des électrons déplacés, résulte une croissance de

réduction d’hydrogène.

L’élévation de température et la concentration d’électrolyte créent une

croissance de conductivité ionique qui s’augmente le courant d’électrolyseur.

Concernant la concentration d’électrolyte, les résultats montrent que ses effet

important dan la production d’hydrogène provoquée par l’augmentation des ions

OH- oxydés.

Bibliographie

Bibliographie

Page 90

Bibliographie

[01] A. Damien, Hydrogène par électrolyse de l’eau, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie

des procédés, 2002

[02] Andreessen K. « Hydrogen production by electrolysis » Hydrogen Power: Theoretical

and Engineering solutions, 1998, Kluwer Academic Publishers, the Netherlands

[03] Association Française de l’Hydrogène, Pourquoi l’hydrogène?, Version 4.2 - Février

2004

[04] CEA (Commissariat à l’Energie Atomique), « L’hydrogène», ISSN 1637-5408, 2004.

[05] CEA (Commissariat à l’Energie Atomique), «Le soleil – de l’étoile à l’énergie

domestique- », ISSN 1637-5408, 2004.

[06] Christian Bailleux et Pierre Clément, « L’hydrogène révolutionnaire», Direction des

études et Recherches, EDF, 1989

[07] Conception et réalisation d’un système de production d’hydrogène à l’aide d’un

dispositif de catalyse Département de Physique, Faculté des Sciences Semlalia, Université

Cadi Ayyad BP 2390, Marrakech, 40000, Maroc

[08] Economie de l’hydrogène. Quelle place pour les énergies renouvelables ?

Communication pour WIH2 2007 (2èmeWorkshop International sur l’Hydrogène) Ghardaïa

19-21 mars 2007

[09] Electrolyse S´Bastien Bourdreux Agrégation de Physique université´e Blaise Pascal -

Clermont-Ferrand

[10] Etude d’un Système de Production d’Hydrogène Solaire en AlgérieR. Boudries –Khellaf

CDER, B.P.62, Route de l’Observatoire 16340 Bouzareah [email protected]

[11] ETUDE D’UNE INSTALLATION DE PRODUCTION D’HYDROGENE SOLAIRE PAR

ELECTROLYSE DE L’EAU DANS LA REGION D’OUARGLA Nasreddine CHENNOUF,

Noureddine SETTOU, Belkhir NEGROU, Khadidja BOUZIANE et Boubekeur DOKKAR,

mailto:[email protected]

Bibliographie

Page 91

Laboratoire de Valorisation et de Promotion des Ressources Sahariennes (VPRS), Université

Kasdi Merbah Ouargla, 30000 Ouargla, Algérie

[12] Etude comparative de panneaux solaires photovoltaïques Rapport de stage de fin de

D.U.T. Mesures Physiques Université Paris VII2, place Jussieu75005 PARIS

[13] Etude d’un panneau solaire photovoltaïque Gestion de l’énergie dans l’habitat H1-TP1-

TSTI2D Septembre 2013

[14] Filière hydrogène: de la production au stockage Prof. Jean-Marie Tarascon Amiens 23

Février 2011 Université de Picardie Jules Verne

[15] H. Derbal , R. Miri et A. M’Raoui, Etude d’un système de production d’hydrogène par

voie solaire Application sur l’électrolyse de la vapeur d’eau à très hautes

températures, Rev. Energ. Ren. Vol. 8, p137 – 156, 2005.

[16] HOLLMULLER, Pierre, et al. Etude d’une installation de production et stockage

d’hydrogène photovoltaïque : maison Friedli à Zollbrück, Suisse. In: CISBAT’99, Conférence

Internationale Energie Solaire et Bâtiment. 1999.

[17] HYDROGENE VECTEUR D’ENERGIE DE DEMAIN L’association française de

l’hydrogène

[18] Hydrogène par électrolyse H2 de l’eau Alain DAMIEN Ingénieur des Arts et

Manufactures Ingénieur-chercheur Électricité de France (EDF)

[19] Installations photovoltaïques au solGuide de l’étude d’impact DICOM -

DGEC/BRO/10004 – Avril 2011Conception graphiqueet réalisation : A. Collin/MEDDTL

[20]Introduction à l’hydrogène F. MESSAOUDE- mail : [email protected] Bioénergie

[21] J. Labbé, L’hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour

systèmes photovoltaïques isolés, Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole des Mines

de Paris Spécialité “Énergétique”, 2006.

[22] La filière d’hydrogène, Pourquoi l’hydrogène, CLEFS CEA N°50/51, hiver

2004/2005

Bibliographie

Page 92

[23] La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau François Morin, 285 route Sainte

Marguerite, Dolbeau-Mistassini, G8L 5N9, [email protected]

[24] Les techniques de production de l’hydrogène et les risques associés INERIS

[25] L’ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE Conseil Général des Landes 23, rue Victor

Hugo - 40 000 Mont-de-Marsan

[26] L’énergie photovoltaïque Conseils et retours d’expériences en Bretagne CONSEIL

RÉGIONAL DE BRETAGNE Sandrine MÉTIER: [email protected]

[27] L’hydrogène, une énergie propre Dossier de presse - Décembre 2013 AIR LIQUIDE

[28] L’HYDROGÈNE… de A à Z ALPHEA NOV 2009

[29] L’hydrogène, vecteur d’énergie INERIS

[30] L’hydrogène, nouvelle énergie propre AIR LIQUIDE Dossier de presse Juin

[31] L’hydrogène vecteur de la Transition énergétique Sénat, 7 novembre 2014 AFHYPAC

[32]M. Belhadj, Modélisation d’un Système de captage photovoltaïque Autonome,

Mémoire de Magister option : Microélectronique -Photovoltaïque, Centre Universitaire de

Béchar, 2007-2008

[33]M.Chegaar, A Lamir, A Chibani « Estimation global Solar rasiation Using Sunshine

Hours» 4éme séminaire international Physique Energétique, Bechar 2000.7

[34] Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau sur membrane acide PIERREMILLET

Ingénieur de l'École nationale supérieure d'électro chimie et d'électrométallurgie de

Grenoble

[35] Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental Synthèse réalisée par

Cécile Miquel sous la direction de Bruno Gaiddon

[36]T. Fogelman, « Système photovoltaïque pour les pays en déventement, manuel

d’installation et d’utilisation, Agence Française pour la Maîtrise de l’énergie,(AFME)

[37] Wilaya de Bouira ANDI 2013

mailto:[email protected]

Bibliographie

Page 93

Liste des sites

- http://www.airliquide.com

- http:// www.linde-gas.entreprise-dz.com

-http://www.energiesolaire.host.sk

- http://www.portail.cder

http://www.energiesolaire.host.sk/

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