Utilisations de l'hydrogène
En plus d'avoir une empreinte carbone totalement nulle dans le cas de production d'hydrogène vert (voir Moyens de Production), l'hydrogène est un élément puissant, il contient jusqu’à trois fois plus d'énergie par unité de masse que le gazole et 2,5 fois plus que le gaz naturel (CH4).
La pile à combustible , carrefour des enjeux du futur de l’hydrogène.
Basée sur deux électrodes, une anode et une cathode, ainsi qu’un électrolyte, la pile à combustible permet à partir de deux éléments de former un courant électrique. Dans le cas présent, nous considérerons les piles dites à hydrogène.
Celles-ci sont alimentées en dioxygène et en dihydrogène. Dans toute pile à combustible l’anode et la cathode sont séparés par un électrolyte. De plus, une connexion externe relie l’anode et la cathode, c’est là que le courant électrique est créé par le déplacement d’électrons.
Pile à combustible embarquée
Il existe deux types de pile à combustible :
Les piles PEMFC (pile à combustible à membrane d’échange de protons)
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Dans ce cas, si ce sont les atomes de dihydrogène qui, une fois en contact avec l’anode, perdent un électron, ce qui résulte est une réaction H2 -> 2H+ + 2e-.
Ces ions traversent ensuite l'électrolyte et forment, au contact du dioxygène et des électrons précédemment perdus, une réaction de forme 4H+ + 4e- + O2 → 2H2O -
Elles ne nécessitent pas, contrairement aux piles SOFC, de température minimale mais ne fonctionnent pas au-delà de 90 degrés Celsius.
Fonctionnement d'une pile à combustible de type PEMFC
Les piles SOFC (pile à combustible à oxyde solide)
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Fonctionnent à haute température (A partir 450°C)
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Dans un premier temps le dihydrogène, au contact de l’anode, perd 2 électrons.
Il en résulte la réaction H2 -> 2H- + 2e-
O2 + 4e- → 2O2- . Ceux-ci traversent l’électrolyte et, au contact de l’anode et du dihydrogène, se forme une réaction 2H+2 + O2- → 2H2O. -
Production d’un courant électrique, avec comme seul rejet de l’eau.
Fonctionnement d'une pile à combustible de type SOFC
Les températures d'opération différentes de ces piles sont dues au matériau utilisé pour constituer leur électrolyte. Ces matériaux, en fonction de leur acidité (neutre ou non) décideront de quelles molécules réagiront avec l’anode ou la cathode.
Pour comprendre ce qui les différencie, il faut aborder la notion de rendement de conversion. La matière se présente sous différentes formes, est peut-être amenée à en changer. Cependant, à chaque variation d’état, une quantité d’énergie se disperse. Le rendement est donc physiquement représenté par la valeur n = Eu/Ea. Ou []
Les piles PEMFC et SOFC sont toutes deux utilisés, tout dépend du cadre. Ainsi, dans l’optique d’une production mobile on préférera une pile PEMFC. Tandis que dans l’idée d’une production de masse, on utilisera une pile SOFC qui, si elle nécessite un environnement plus chaud, permettra des rendements allant jusqu’à 70%. Contrairement aux piles PEMFC qui ne permettront que entre 40 et 50 % de rendement.
Si les piles permettent de produire une énergie électrique, le moteur à hydrogène permet également de produire une énergie mécanique.
Moteur à hydrogène
Le fonctionnement est le même que dans un moteur à explosion. C’est un mélange de dioxygène et de dihydrogène qui, soumis à une combustion contrôlée, libérera une quantité d’énergie qui actionnera un piston pour un rendement de 30 à 40%.
Aujourd’hui, les différents prototypes de moyens de propulsions, que ce soit voitures, camions, bateaux ou avions, sont basés sur des piles à combustion et non des moteurs. Pour cause, si le le flux de dihydrogène et de dioxygène n’est pas justement contrôlé pour obtenir la combustion désirée, il peut en résulter une explosion.
L'exemple d'Energy Observer
Une autre utilisation pratique de la filière hydrogène est celle qui a principalement inspirée notre TPE : l'expérience Energy Observer. Il s'agit d'un bateau fonctionnant aux énergies solaires, éoliennes et mettant également en pratique les différents avantages de l'hydrogène.
Le catamaran Energy Observer
Parmi ceux qui ont compris et croient au potentiel de l'hydrogène pour acquérir notre indépendance par rapport aux énergies fossiles il y a l’équipe du projet energy observer. Victorien Erussard, capitaine d’Energy Observer et Jérôme Delafosse Chef d’expédition d’Energy Observer ont récupéré un voilier de compétition pour en faire un véritable laboratoire de l’énergie du futur qui va effectuer un tour du monde en visitant de nombreux pays en toute autonomie avec des objectifs intéressants:
-démontrer les capacités de l’hydrogène
-promouvoir leur modèle comme réelle alternatives aux énergies fossiles
-prouver qu’une autonomie énergétique est possible
-Se servir des données collectées lors de leur périple pour faire avancer le développement dans ce domaine
Parti en novembre 2017 de bordeaux l’Energy Observer a un fonctionnement basé sur les énergies renouvelables et surtout l'utilisation de l’hydrogène.
Le processus commence par la création d’électricité grâce à ses éoliennes et ses nombreux panneaux photovoltaïques qui tapissent le bateau. Grâce à cette électricité produite par eux même il peuvent procéder à la production de l’hydrogène grâce à un électrolyseur. Puis avec un compresseur ils stocke l’hydrogène compressé à 350 bars. Enfin l’hydrogène est acheminé vers une pile à combustible qui génère de l’électricité grâce à ce dernier. Tout cela pour alimenter le moteur électrique qui propulsera le bateau et tout le processus sans rejeter le moindre gramme de GES (gaz à effet de serre).
Ce bateau est une application convaincante de l’hydrogène et laisse entrevoir des espoirs quant à son utilisation.
Fonctionnement du navire
Aujourd'hui, plus d'un milliard de personnes n'ont pas accès à l’électricité. C'est pour cela que l'hydrogène peut être considéré non seulement pour des utilisations motrices (moyens de transports, fusées) mais aussi pour des utilisations en tant que moyen efficace et éco-responsable de stockage d'énergie afin de pouvoir alimenter des zones difficilement accessibles à des moyens de transport d'électricité traditionnels.