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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
FACULTE DES SCIENCES ET SIENCES APPLIQUEES
UAMOB
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE
MEMOIRE PRESENTE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME DE
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
FACULTE DES SCIENCES ET SIENCES APPLIQUEES
MEMOIRE PRESENTE POUR L’OBTENTION DU DIPLOME DE
PRODUCTION D’HYDROGENE PHOTOVOLTAIQUE
.AIT YALA.
Université Akli Mohand Oulhadj- Bouira
Université Akli Mohand Oulhadj- Bouira
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
54
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
Page 3
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 5
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 6
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 7
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Figure I-1 Procède de production d’hydrogène
L'ensemble de ces voies de production ainsi que leurs améliorations et innovations sont
, 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
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
+ CO + CO2 + CH4 + H2O) ainsi que des hydrocarbures résiduels.
:
Les charges classiquement utilisées sont les hydrocarbures légers qui incluent le gaz naturel,
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
L'ensemble de ces voies de production ainsi que leurs améliorations et innovations sont
, 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
température (840 à 950°C) et à pression modérée (20 à 30 bars). Le gaz de
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
O) ainsi que des hydrocarbures résiduels.
Les charges classiquement utilisées sont les hydrocarbures légers qui incluent le gaz naturel,
d’ébullition de 200 à 220°C. On peut également
es différentes charges hydrocarbonées contiennent généralement du soufre, qui est un
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 10
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 11
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)
CxHyOz + (X-Z) H2O (X -
- Z)
H2 + xCO
CxHyOz + (X-Z) H2O (X -
- 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%
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 12
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 13
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 14
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).
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 15
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).
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 16
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 17
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 18
B. Détails de la technologie :
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 19
I-4-7 .Décomposition de l'eau par cycle thermochimique :
A. Principe de base :
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 20
B. Détails de la technologie :
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)
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 21
Figure I-4 principes de cycle iode/soufre
I-4-8.Production par Photo-électrolyse de l'eau :
A. Principe de base :
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 22
Figure I-5 : Schéma de principe de la décomposition photochimique de l’eau
B. Détails de la technologie :
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.
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 23
1-4-9 .Production d'hydrogène par des micro-organismes Photosynthétiques :
A. Principe de base :
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 24
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 25
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 26
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
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 :
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
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
CHAPITRE I : Etude Bibliographique
Page 29
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
Page 30
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,
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 32
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 33
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.
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 34
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.
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 35
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.
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 36
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
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.
Avantages Inconvénients
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".
Avantages Inconvénients
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 38
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 39
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
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
Page 40
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)
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
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.
CHAPITRE II: système solaire photovoltaïque
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
CHAPITRE III : électrolyse 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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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) ;
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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 :
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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
CHAPITRE III : électrolyse de l’eau
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.
CHAPITRE III : 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
CHAPITR IV : Installation du système
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
3,9878 de Longitude Elle est caractérisée par un climat chaud et sec en été, froid et pluvieux
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
3,9878 de Longitude Elle est caractérisée par un climat chaud et sec en été, froid et pluvieux
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
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
CHAPITR IV : Installation du système
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.
Et pour le suivi des expériences, on utilise quelques appareils de mesures tels que le
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 :
Et pour le suivi des expériences, on utilise quelques appareils de mesures tels que le
CHAPITR IV : Installation du système
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
CHAPITR IV : Installation du système
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).
CHAPITR IV : Installation du système
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
CHAPITR IV : Installation du système
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
CHAPITR IV : Installation du système
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.
CHAPITR IV : Installation du système
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)
CHAPITR IV : Installation du système
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
CHAPITR IV : Installation du système
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)
CHAPITR IV : Installation du système
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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°
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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°)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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 = ;.,..
.,.
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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%.
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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)
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
CHAPITRE V : résultats et interprétation
Page 85
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.
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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.
CHAPITRE V : résultats et interprétation
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
Conclusion générale
Page 88
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.
Conclusion générale
Page 89
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
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[08] Economie de l’hydrogène. Quelle place pour les énergies renouvelables ?
Communication pour WIH2 2007 (2èmeWorkshop International sur l’Hydrogène) Ghardaïa
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[09] Electrolyse S´Bastien Bourdreux Agrégation de Physique université´e Blaise Pascal -
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