Dihydrogène - Définition et Explications

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Utilisations industrielles

La consommation mondiale d’hydrogène est aujourd’hui d’environ 50 millions de tonnes par an. La majeure partie de la production de dihydrogène est consommée sur place, dans l’industrie chimique et pétrochimique principalement: synthèse de l’ammoniac (50 %), raffinage et désulfuration des hydrocarbures (37 %), synthèse du méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol, d’alcool de bois, de naphte de bois ou d’esprit de bois est un composé...) (12 %).

Les principales utilisations industrielles du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les molécules comportent deux atomes d'hydrogène, sa...) sont :

  • les procédés Haber-Bosch de production de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale :...), l'hydrogénation (L'hydrogénation est une réaction chimique qui consiste en l'addition d'une molécule de dihydrogène (H2). Cette réaction est habituellement employée pour réduire ou saturer des composés organiques. Cette...) des graisses et des huiles et la production de méthanol.
  • la fabrication de l'acide chlorhydrique (L'acide chlorhydrique est une solution aqueuse ayant pour solutés des ions oxonium H3O+ et des ions chlorure Cl-. On peut l'obtenir par dissolution de...), le soudage (Le soudage (Voir article sur la théorie du soudage) est un moyen d'assemblage permanent. Il a pour objet d'assurer la continuité de la matière...), les carburants pour fusées et la réduction de minerais métalliques ;
  • le dihydrogène liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (LH2) est utilisé pour les recherches à très basses températures, y compris l'étude de la supraconductivité ;
  • il était utilisé dans les ballons car il est quatorze fois plus léger que l'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...), mais il a été remplacé par l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...) pour des raisons de sécurité.
  • le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) (2H) est utilisé dans les applications nucléaires comme modérateur (eau lourde ou D2O) pour ralentir les neutrons. Les composés du deutérium sont aussi utilisés en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) et en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une...) pour étudier ou utiliser l'effet isotopique ;
  • le tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford, dans la...) (3H), un autre isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné...), est produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé pour la construction de bombes atomiques. Il est également utilisé comme un marqueur isotopique dans les biosciences et comme source de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration...) dans les peintures luminescentes.
  • l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ou plutôt de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) hydrogénée est aussi utilisé comme gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) traceur pour effectuer des opérations de recherches de micro-fuites dans des ensembles industriels (automobiles, biens d'équipement, installation de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.), réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue française sous la forme "resel", au XII ème siècle. Employé dans un premier temps, dans le domaine textile, de la...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), réservoir d'avions, etc.).
  • Le dihydrogène est un additif alimentaire autorisé sous la référence E 949, voir Liste des additifs alimentaires (Les additifs alimentaires sont définis par une directive de l'Union Européenne : « On entend par additif alimentaire toute substance habituellement non...).
  • Le dihydrogène est aussi utilisé comme fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) calo-porteur dans certaines machines de haute puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (alternateur synchrone de centrale par exemple).

Stockage

À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...), trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) sont envisagées:

  • Le stockage comprimé
  • Le stockage liquide
  • Le stockage moléculaire

Gaz comprimé

C'est la forme la plus commune de stockage du dihydrogène.

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bar) permet d'atteindre une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible: une 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 700 bar est inévitable pour rendre la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) compétitive.

La technologie existe et est couramment utilisée. Son inconvénient réside dans l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nécessaire à la compression et dans la faible efficacité en termes d'encombrement en comparaison aux autres méthodes. Cet encombrement est une des difficultés pour l'utilisation du dihydrogène sous forme de gaz comprimé dans les applications automobiles.

Stockage liquide (cryogénique)

Le stockage liquide à 20 K (-253 °C) sous 10 bars permet d'atteindre des densités volumique et massique intéressantes mais nécessite des réservoirs à l'isolation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) afin de minimiser l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.).

La technologie est existante. Elle a une meilleure efficacité volumique que le stockage de gaz comprimé (70 kg·m-3 contre 10 kg·m-3 à 115 bar et °C). Cependant, cet avantage est modéré par le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) relativement important des enceintes isolantes nécessaires.

D'autre part, il faut une énergie importante pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide: la liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la...) consomme 30 à 40% du contenu énergétique du gaz et la déperdition en utilisation réelle est importante (actuellement 1,25 pour mille par heure), pénalisant fortement le stockage au-delà d'une semaine.

Cette technique est notamment utilisée dans le domaine spatial où, malgré le faible délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) de mise en œuvre, la remplissage est continu jusqu'au dernier moment.

Hydrures métalliques

Le stockage sur des substrats sous forme absorbée, notamment sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique très intéressante mais une densité massique faible. De plus la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.), la 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...) et la pression de cyclage restent des points durs à maîtriser.

Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'hydrogène sont stockés dans certains composés métalliques. On récupère le dihydrogène en chauffant ou en diminuant la pression. Cette technique est aujourd'hui mal maîtrisée. Elle a l'inconvénient de demander un dihydrogène extrêmement pur afin d'éviter de détruire la capacité d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...) des hydrures. Le chauffage pour récupérer le gaz est également un handicap (On nomme handicap la limitation des possibilités d'interaction d'un individu avec son environnement, causée par une déficience qui provoque une incapacité, permanente ou non et qui mène...). Ce type de stockage en est au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un...) 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...) et n'est pas disponible aujourd'hui sur une base industrielle.

Capacité de stockage de certains hydrures.

Hydrure Pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie pour la fraction...) de dihydrogène
contenu (en masse)
LaNi5H6,5 1,4 %
ZnMn2H3,6 1,8 %
TiFeH2 1,9 %
Mg2NiH4 3,6 %
VH2 3,8 %
MgH2 7,6 %

Stockage par adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers...) sur du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.)

Cette technique permet de stocker en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) de certaines structures de carbone telle que du charbon actif ou des nanotubes les molécules de dihydrogène. Elle permet de stocker 0.05 à 2 % en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) de dihydrogène.

Ce type de stockage est au stade de recherche.

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