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1er THEME : L’EAU
CHAPITRE 3 EAU ET ENERGIE
TP 1 LA PRODUCTION DE DIHYDROGENE
I. MANIPULATION : ELECTROLYSE DE L’EAU
L’électrolyse de l’eau est l’une des voies de synthèse du dihydrogène. Elle est envisagée pour utiliser les surplus de
production d’électricité. Les électrolyseurs transforment l’énergie électrique en énergie chimique. La manipulation permet
d’étudier leur fonctionnement et de déterminer le rendement de la transformation d’énergie
1. Etude qualitative
a. Manipulation
Remplir l’électrolyseur avec de l’eau du robinet, jusqu’à mi-hauteur.
Placer sur chaque électrode une éprouvette graduée remplie d’eau,
maintenues avec les pinces support.
Ajouter environ 50 mL d’acide sulfurique à 2 mol/L
Représenter le montage permettant d’alimenter l’électrolyseur par une
tension continue de 12V, et permettant de mesure la tension aux bornes
de l’électrolyseur et l’intensité du courant qui le traverse.
Régler le générateur de tension continue à 12 V, puis réaliser le circuit.
Fermer le circuit et le laisser débiter pendant 5 min.
Noter vos observations
Boucher l’éprouvette associée à l’électrode liée au + du générateur, puis
introduire une buchette incandescente à l’intérieur.
Boucher l’éprouvette associée à l’électrode liée au - du générateur, puis
approcher une flamme de l’ouverture
b. Exploitation
1) Déduire des tests la nature des gaz produits à chaque électrode
2) Représenter le sens du courant sur le circuit
3) En déduire le sens de déplacement des électrons dans le circuit
4) Ecrire les équations de réactions à chaque électrode, et préciser la nature de chacune de ces réaction
5) Identifier l’anode et la cathode
6) Ecrire l’équation de la réaction globale de cette électrolyse
7) Les volumes obtenus des deux gaz sont-ils cohérents avec l’équation de la réaction ?
2. Caractéristique de l’électrolyseur
a. Manipulation
A l’aide du montage précédent, proposer un protocole permettant de suivre l’évolution de l’intensité du courant en fonction
de la tension appliquée (de 0 à 6 V ; 12 valeurs)
Réaliser le montage et rassembler les valeurs dans un tableau
b. Exploitation
1) Tracer la caractéristique U = f(I) de l’électrolyseur
2) L’équation de la caractéristique est-elle du type :
a) U = E + rI
b) U = rI
c) U = E – rI
3) L’électrolyseur est-il un générateur ou un récepteur électrique ?
4) Déterminer la valeur de la force électromotrice (f.e.m.) et de la résistance interne r de l’électrolyseur
3. Rendement de la production
a. Manipulation
Reprendre le dispositif du 1.
Alimenter le circuit avec une tension U = 12V, et déclencher le chronomètre
Noter la valeur de l’intensité I
Arrêter le dispositif lorsque le volume de dihydrogène formé est V(H2) = 10,0 mL, et stopper le chronomètre. Noter la
durée Δt
b. Exploitation
1) Donner le schéma de la chaîne énergétique considérée
2) Exprimer et calculer l’énergie électrique Ee reçue par l’électrolyseur
Eau + acide
sulfurique
- +
3) Calculer la masse m(H2) recueillie sachant que dans les conditions de l’expérience, le volume molaire des gaz vaut Vm =
24L/mol
4) En déduire la valeur de l’énergie chimique Ech stockée, sachant que la capacité énergétique massique du dihydrogène
vaut Cm= 141,8 MJ.kg-1.
5) En déduire le rendement énergétique ρ de cette électrolyse
II. LES MEHODES DE PRODUCTION ACTUELLES DE DIHYDROGENE
1. Les utilisations du dihydrogène
« Si l’hydrogène n’est actuellement quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie, il est une des matières de base de
l’industrie chimique et pétrochimique. Il est utilisé notamment dans la production d’ammoniac et de méthanol, et pour le
raffinage du pétrole ; il est également employé dans les secteurs de la métallurgie, de l’électronique, de la pharmacologie,
ainsi que dans le traitement des produits alimentaires. Pour couvrir ces besoins, 50 millions de tonnes de dihydrogène sont
déjà produits chaque année. Mais, si ces 50 millions de tonnes devaient servir à la production d’énergie, elles ne
représenteraient que 1,5% de la demande d’énergie primaire. Utiliser l’hydrogène comme vecteur énergétique suppose donc
d’augmenter radicalement sa production. »
Extrait de L’hydrogène, livret pédagogique n°12, CEA 2004
2. Intérêt du dihydrogène
« Si le dihydrogène présente tant d’attraits, c’est que cette molécule, chimiquement réductrice, se combine aisément au
dioxygène de l’air pour donner de l’énergie et de l’eau comme seul sous-produit. Le revers de la médaille est que sa
production exige, symétriquement, beaucoup d’énergie, car elle s’appuie sur des molécules riches en hydrogène, mais
foncièrement stables, comme l’eau et le méthane. »
Extrait de C.Baudouin et col., « comment produire l’hydrogène ? », Clefs CEA n°50/51, hiver 2004-2005
3. Productions de dihydrogène
La production de dihydrogène à partir du méthane (appelée conversion du méthane) est la plus répandue auprès des
industriels pour les besoins de raffinage de l’industrie pétrolière. Au cours de ce processus, la molécule de CH4 est brisée
par la chaleur et la vapeur d’eau sur un catalyseur au nickel. La réaction est dite « endothermique », c’est-à-dire qu’elle
nécessite un important apport de chaleur (840-950°C). le CO issu de cette première réaction est ensuite converti en CO2
par l’adjonction d’eau (water gas shift). Il en résulte la production de dihydrogène et de dioxyde de carbone. Une troisième
étape est la purification du dihydrogène sur tamis moléculaire.
Un autre procédé est utilisé pour traiter les carburants plus lourds comme le gazole, il s’agit de l’oxydation partielle. Cette
opération s’effectue à plus haute température (1200-1500°C) et sous assez forte pression (20 à 90 bar). L’hydrocarbure est
oxydé en présence de dioxygène. Les deux opérations suivantes sont identiques à celles de la conversion : conversion du CO
et purification. Cette réaction est, elle, « exothermique », c’est-à-dire qu’elle dégage de la chaleur.
La troisième méthode, le reformage autothermique […] fait l’objet d’importantes recherches.
Dans tous les cas, seul le dihydrogène est conservé. Le carbone est rejeté sous forme de gaz carbonique. Sans séquestration
du carbone, cette méthode contribue à l’effet de serre.
La séquestration du dioxyde de carbone est donc une des technologies clefs de l’économie de l’hydrogène et de la lutte
contre le changement climatique…
L’électrolyse de l’eau est la deuxième grande famille de méthodes d’extraction du dihydrogène disponible aujourd’hui. Elle
est très marginale, moins de 1 % du dihydrogène produit, et réservée à la production de dihydrogène de très grande pureté…
Pour être rentable écologiquement et économiquement, l’électricité utilisée doit être bon marché et sans émission de CO2
4. Electrolyse de l’eau
L’électrolyse de l’eau est mise en œuvre dans des installations de plusieurs
mégawatts pour produire du dihydrogène de grande pureté lorsque
l’électricité est disponible à faible coût ou en excès. Les valeurs classiques de
différences de potentiel appliquées aux bornes des cellules d’électrolyse dans
les installations industrielles sont de l’ordre de 1,7 à 2,1 V. L’alimentation en
eau d’un électrolyseur est de l’ordre de 1 L/Nm3 L’eau utilisée doit être la plus
pure possible, afin d’éviter l’accumulation de boues et les phénomènes de
corrosion aux électrodes.
L’électrolyte est généralement une solution aqueuse alcaline (hydroxyde de
potassium – électrolyse industrielle) ou une membrane polymère échangeuse
de protons, H+ (électrolyse de faible capacité)
5. L’hydrogène dans le monde
6. Le projet Myrte
La plate forme solaire de Vignola, à Ajaccio, associe 550 kW de panneaux solaires et un système de stockage électrique. Un
électrolyseur Hélion produit du dioxygène et du dihydrogène. Sa capacité maximale est de 40 Nm3/h.
Le dihydrogène et le dioxygène sont stockés à la pression de sortie de l’électrolyseur (de l’ordre de 35 bars).
7. Questions
1) Quelles sont les principales utilisations du dihydrogène ? Pourquoi la production de dihydrogène doit-elle être
optimisée ?
2) Quelle devrait être la masse de dihydrogène produit si ce gaz devait satisfaire la totalité des besoins en énergie
primaire ?
3) Ecrire l’équation de la réaction d’oxydation partielle d’un hydrocarbure de formule générale CnHm en monoxyde de
carbone, puis celle de la conversion du monoxyde de carbone par adjonction d’eau.
4) En déduire l’équation traduisant le bilan de ces deux réactions
5) Pourquoi peut-il être intéressant de traiter ainsi les résidus lourds issus de la distillation des pétroles ?
6) En prenant comme exemples pour l’argumentation la conversion su méthane et l’électrolyse de l’eau, commenter le
deuxième doc.
7) En considérant l’électrolyseur du doc. 4 :
a) Quelle espèce assure le passage du courant dans le circuit extérieur à l’électrolyseur et dans les électrodes ?
b) Quelle espèce assure le passage du courant dans l’électrolyseur ?*
c) Quel est le rôle du générateur ? Quelle est la transformation d’énergie réalisée ?
d) Ecrire l’équation des réactions qui se produisent à l’anode et à la cathode
8) Que représente la notation Nm3 ? Commenter la phrase soulignée dans le doc.4
9) Quel est l’intérêt de stocker le dihydrogène sous pression ?
10) Quelles sont les transformations d’énergies réalisées à Vignola ?
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