Vers une production massive et économique d'hydrogène
Publié par Michel le 11/04/2009 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © AREVA NP/ IEM
Le recours à l'hydrogène comme vecteur énergétique propre est l'une des solutions pour répondre aux actuels défis énergétiques. Afin de produire ce carburant du futur, l'électrolyse de l'eau figure parmi les filières "écologiques" les plus prometteuses. Principal écueil: son rendement. Soucieux d'optimiser cette technique, des chercheurs de quatre laboratoires du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) (1), en collaboration avec les entreprises AREVA NP (Areva NP, précédemment Framatome ANP [1] (Advanced Nuclear Power, jusqu'au 1er mars 2006), est une entreprise de fourniture pour l'industrie nucléaire fondée...) et SCT, sont parvenus, pour la première fois, à produire de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) notable par une nouvelle méthode. Leur technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) innovante, protégée par un brevet aujourd'hui rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets...) public, pourrait dans un avenir proche être développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui...) et permettre d'obtenir de l'hydrogène, à moindre coût et surtout, sans émission de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres...).


L'un des prototypes instrumentés permettant de produire de l'hydrogène (800°C, 50 bars),
avec à gauche le système de gestion des gaz (vapeur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines...), hydrogène)
et à droite la cellule chauffée

Plus énergétique que le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de...) ou le gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), non polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions (potentialisation), développe...) et non toxique, l'hydrogène pourrait progressivement suppléer les énergies fossiles et répondre à l'essentiel de nos besoins énergétiques. Problème: si l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...) d'hydrogène, lié à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), est très abondant sous forme d'eau, les molécules d'hydrogène, elles, ne se trouvent pas à l'état pur. Le défi auquel s'attèlent les chercheurs est donc de produire de l'hydrogène, sans dégagement de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est donc un...). Pour cela, l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau, c'est-à-dire sa décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès...) en hydrogène (H) et oxygène (O), est l'une des solutions envisagées. Aujourd'hui maîtrisée, cette technique présente toutefois des inconvénients majeurs: son rendement ne dépasse pas 80 %, son coût de production est trop élevé et certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisés polluants ou même dangereux.

Comment pallier ces défauts ? Pour y parvenir, plusieurs spécialistes ont, depuis 2004, réuni leurs expertises dans le cadre d'un programme de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) sur la production massive (Le mot massif peut être employé comme :) d'hydrogène propre: quatre équipes de recherche se sont ainsi associées aux entreprises AREVA (Areva est un groupe industriel français spécialisé dans les métiers de l'énergie. Cette entreprise est présente au niveau international avec...) NP, filiale du groupe AREVA, et SCT, l'un des leaders mondiaux dans l'association métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...)céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique...).

Pour obtenir de l'hydrogène par électrolyse de l'eau avec un meilleur rendement, il faut chauffer: deux voies sont alors possibles. La première plus "traditionnelle" utilise la conduction par ions O2- tandis que la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) s'appuie sur la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) des protons (ions H+). Principal avantage de la voie protonique: elle requiert des températures plus faibles, de l'ordre de 600°C. À de telles températures, une bonne conductivité des protons peut être envisagée, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en utilisant des matériaux peu onéreux et fiables. C'est pourquoi les scientifiques ont choisi d'explorer et d'optimiser cette voie.

Leur travail s'est déroulé en deux étapes: ils ont tout d'abord conçu un dispositif pour étudier in situ les matériaux constituant l'électrolyseur puis, ils ont mis au point (Graphie) deux électrolyseurs instrumentés, c'est-à-dire comportant entre autres, des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...), de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), de mesure de l'intensité du courant produite. Les scientifiques ont ainsi pu déterminer avec précision les conditions requises pour obtenir de l'hydrogène en grande quantité et de façon fiable. L'une de leurs idées novatrices a été d'effectuer l'électrolyse sous pression (entre 50 et 100 bars). Et elle s'est révélée efficace... En effet, les principaux paramètres des électrolyseurs s'en sont trouvés améliorés: les premiers essais effectués permettent d'atteindre des quantités d'hydrogène notables, avec un niveau de courant bien supérieur à ce qui avait été fait précédemment par leurs concurrents étrangers travaillant sur la filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.) protonique. De plus, cette nouvelle technologie abaisse de près de 200°C la température de fonctionnement par rapport à la solution par conduction par ions O2-. Un dernier atout: en permettant l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'alliages commerciaux, elle diminue le coût de l'hydrogène produit.Ce résultat, prometteur et capital pour l'avenir économique de la filière hydrogène, laisse espérer le développement de technologies rentables et économiques. Même si avant de produire de l'hydrogène massivement et à bas coût, des efforts sont encore nécessaires. Un travail de perfectionnement du dispositif est d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en région wallonne (intercommunales...) et déjà envisagé.


Second prototype de production d'hydrogène fonctionnant à 650°C et sous 100 bars.
Les zooms montrent l'extérieur du cœur de la cellule électrochimique
ainsi que les passages métal-céramique

Note:
(1) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) européen des membranes (IEM, CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Montpellier / ENSCM), Laboratoire de plasticité, endommagement et corrosion des matériaux (LPECM, CNRS / École des Mines de Saint-Étienne), Laboratoire de dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :), interactions et réactivité (Ladir, CNRS / UPMC) et Laboratoire "Interfaces et systèmes électrochimiques" (Lise, CNRS)
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