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Production de dihydrogène

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Objectifs

Présenter les méthodes les plus utilisées de nos jours pour produire industriellement du dihydrogène. Insister sur les caractéristiques (avantages/inconvénients) des méthodes employées.

Définir la notion de vecteur énergétique.

La combustion du dihydrogène (H₂) dans le dioxygène (O₂) est non-polluante; elle ne produit que de l’eau, selon la réaction suivante :

.
Il est donc considéré comme un carburant d’avenir.

Cependant, le dihydrogène n’est quasiment pas présent sur Terre à l’état naturel, à la différence de l'élément hydrogène qui est omniprésent.
Mais comment le dihydrogène est-il produit dans l’industrie ?

1. Vaporeformage

Le vaporeformage est la technique la plus utilisée industriellement. Elle sert à la production du dihydrogène. Basée sur la décomposition d’hydrocarbures (de la forme C_nH_m), cette réaction se déroule en 2 étapes :

Étape 1

Cette étape se déroule à hautes températures (1000 °C environ), et sous une pression de 20 à 30 bars.
Par exemple, 1 molécule de méthane (

avec

) et 1 molécule d'eau (H₂O) produisent 1 molécule de monoxyde de carbone (CO) qui réagira au cours de la deuxième étape.

Étape 2
Le monoxyde de carbone ainsi formé réagit à son tour avec l'eau (pour former du dioxyde de carbone et du dihydrogène) selon l'équation suivante:

Cette étape est possible à des températures plus basses (environ 130 °C).

Le monoxyde de carbone

est toxique, mais il n’en reste plus à la fin de la réaction: on appelle ce composé un intermédiaire réactionnel.

Globalement, la réaction de vaporeformage s’écrit :

Ce procédé de fabrication de dihydrogène nécessite :

•un apport d’énergie sous forme de chaleur (brûleur) afin que les conditions requises soient réunies.
•un catalyseur, accélérant la réaction.

Les hydrocarbures sont les réactifs de cette réaction. Des ressources fossiles (telles que le pétrole, le méthane) sont ainsi mises à contribution, ce qui pose le même problème que pour les carburants classiques : les ressources fossiles ne sont pas inépuisables.
Toutefois, il est également possible de faire appel à la biomasse pour les remplacer.

On peut noter un inconvénient majeur de cette réaction: la libération de gaz à effet de serre (CO₂). La combustion du dihydrogène n’en produit pas. En revanche, sa fabrication industrielle, oui.

2. Electrolyse de l'eau

L’électrolyse de l’eau représente 4 % du dihydrogène produit dans le monde.
Pourquoi ne pas utiliser l’énergie électrique pour « casser » des molécules d’eau, afin de générer de l'O₂ et du H₂ ?
Exemple d’une électrolyse à pH neutre :

Au niveau de la cathode, se produit la réaction de réduction suivante:

.

Au niveau de l’anode, se produit la réaction d’oxydation suivante:

.
Les ions hydroxydes (

) et les ions (

) réagissent ensemble pour redonner de l’eau, ainsi le pH global ne varie pas.

En conséquence, la réaction de l’électrolyse est :

L’électrolyse de l’eau est une méthode simple à mettre en œuvre pour produire du dihydrogène. Elle peut se faire à petite échelle (manipulation de TP) ou à plus grande échelle (usines chimiques),

intervenant beaucoup en chimie organique. Dans tous les cas, le générateur doit fournir une tension minimale théorique de

.

Cette méthode est :
• non-polluante
• gourmande en énergie électrique
• problématique en ce qui concerne l'utilisation de l'eau: avant c'était une ressource, désormais, c'est une richesse

3. Autres méthodes

D’autres méthodes pour produire du dihydrogène existent. Elles sont industriellement moins employées (ou encore au stade de projets) :

• Par réaction avec des métaux

Historiquement, cette méthode a été très employée au XIX^ème et au début du XX^ème siècle. On sait que certains métaux (tels que le fer ou l'aluminium), attaqués par un acide, produisent un dégagement de dihydrogène. L’attaque de l’aluminium par une base (la soude, N_aOH) se présente sous forme d'équation:

.
Intérêt : la soude est régénérée par la réaction :

.

• L’oxydation partielle d’hydrocarbures

Le principe est proche de celui de l'étape 1 du vaporeformage, à la différence que l’on remplace

par

.

Avantage : libération d'énergie, donc pas besoin de chauffer. Par contre, comme pour le vaporeformage, il y a production de monoxyde de carbone, qui est alors transformé en dioxyde de carbone lors de l'étape 2.

• Utilisation d’algues

Des algues peuvent, dans certaines conditions, produire du dihydrogène. L’énergie lumineuse du Soleil est ainsi exploitée dans ce cas-là.

• Électrolyses à hautes températures

Nécessitant moins d’électricité que les électrolyses classiques, ce type d'électrolyses peuvent utiliser trois sources de chaleur afin d'atteindre les températures requises (jusqu’à 900 °C dans la pratique) : solaire, géothermie, ou de futurs réacteurs nucléaires hautes températures.

4. Transport du dihydrogène

On appelle vecteur énergétique, une forme d’énergie pouvant être transportée du lieu de production vers le lieu de consommation. L’électricité en est le meilleur exemple. Le dihydrogène est un autre exemple, sauf qu’il peut en plus, lui, être conservé.

Toutefois, le transport du dihydrogène présente des contraintes importantes. On peut le liquéfier comme le méthane, afin qu’il prenne moins de place (méthaniers). Cependant, le méthane se liquéfie à

, alors que le dihydrogène ne devient liquide qu’en dessous de

(environ 20 K). Cette température rend cette technique peu aisée et relativement chère. Cependant, elle est pratiquée dans le cas des fusées.

Le dihydrogène est souvent transporté et conservé sous forme gazeuse, sous de hautes pressions (350 ou même 700 bars). Mais, du fait de sa petite taille, il a tendance à s’échapper des récipients qui le contiennent. Il peut également fragiliser les aciers. D’autre part, comme c’est un gaz très léger, il monte rapidement dans l’atmosphère terrestre une fois libéré. D’ailleurs, dans certains cas, il est courant que le dihydrogène soit produit directement sur le lieu de consommation.

Des projets de recherche tentent de fixer temporairement le gaz dans des matériaux solides, plus précisément en l’incorporant dans la structure moléculaire du solide (hydrures métalliques …).

L'essentiel

L’hydrogène est un élément chimique très répandu. Cependant, le gaz dihydrogène est très rare sur Terre. Ainsi, il est nécessaire de le produire. Diverses méthodes existent. Les deux méthodes principales à retenir sont :

→ Le vaporeformage, produisant le gaz à partir d’hydrocarbures :

• Méthode la plus employée, mais qui a le défaut de libérer également du dioxyde de carbone.

→ L’électrolyse de l’eau, générant de l'énergie électrique pour produire le gaz:

.

• Méthode non polluante, mais présentant le défaut de consommer énormément d’énergie électrique.

La combustion de ce gaz dans le dioxygène ne génère que de l’eau.
C’est un vecteur énergétique car il constitue une forme d’énergie pouvant être transportée (comme l’électricité). Le dihydrogène peut de plus être conservé. En revanche, le transport et la conservation du gaz sont contraignants.

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