La pile à hydrogène dans les voitures du futur

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Annales corrigées
Classe(s) : 1re ES - 1re L | Thème(s) : Le défi énergétique : synthèse
Type : Partie 2 | Année : 2015 | Académie : Amérique du Sud


Amérique du Sud • Novembre 2015

Le défi énergétique • 6 points

Document 1 Des piles à combustible à hydrogène dans les voitures du futur ?

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© Horizon

Jeu éducatif – Voiture à hydrogène

Très abondant sur Terre, l’élément hydrogène pourrait bien représenter une alternative énergétique dans le secteur des transports, l’un de ceux qui, dans le monde, émet le plus de gaz à effet de serre. La combustion du dihydrogène génère une forte quantité d’énergie et n’émet pas de CO2. À titre de comparaison, la combustion d’un kilogramme de dihydrogène libère trois fois plus d’énergie que celle d’un kilogramme d’essence.

Le principe d’une pile à hydrogène est séduisant : fabriquer de l’électricité à partir d’une simple réaction chimique entre le dihydrogène gazeux hautement comprimé et le dioxygène. Cette réaction produit également de l’eau et de l’énergie thermique (voir le schéma page suivante).

La pile peut ensuite être directement connectée à un moteur électrique. Plusieurs constructeurs s’efforcent de développer des piles à combustible alimentées par de l’hydrogène pour mettre au point les « véhicules du futur ».

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Schéma simplifié d’une pile à combustible à hydrogène

Document 2 Quelle est l’origine du dihydrogène produit actuellement ?

Le dihydrogène n’est pas disponible à l’état naturel sur Terre. L’atome d’hydrogène H est toujours associé à d’autres éléments : à du carbone dans les gaz naturels comme le méthane (CH4) ou encore à de l’oxygène dans l’eau. Pour obtenir du dihydrogène, il convient donc de le séparer des éléments chimiques auxquels il est lié. Pour réaliser cette opération, il existe différentes possibilités à partir de pétrole ou d’eau.

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1. Le raffinage est l’ensemble des opérations mises en œuvre pour transformer le pétrole brut.

2. L’électrolyse de l’eau la décompose en dioxygène et en dihydrogène grâce à un courant électrique.

Document 3 L’hydrogène, « vecteur énergétique » d’avenir ?

Il peut être stocké mais, à cause de sa faible densité, il doit être comprimé, liquéfié pour être mis en réserve.

Cependant, la production de dihydrogène en grandes quantités se heurte encore à plusieurs limites :

Elle est énergivore : il convient de recourir à des énergies non polluantes pour ne pas annuler l’effet positif de son utilisation.

Le dihydrogène peut pénétrer les matériaux et les fragiliser en raison de la très petite taille de ses molécules. Son utilisation industrielle nécessite donc l’emploi de matériaux spéciaux, rares et coûteux comme le platine.

Le procédé de production le plus prometteur, l’électrolyse de l’eau, a un coût qui reste encore élevé.

1. La pile à combustible à hydrogène.

a) D’après le document 1, écrivez l’équation ajustée de la transformation chimique qui se produit lors du fonctionnement de la pile.

b) Schématisez la chaîne énergétique de cette pile.

▶ 2. Il est précisé dans le document 1 que « la combustion d’un kilogramme de dihydrogène libère trois fois plus d’énergie que celle d’un kilogramme d’essence ». L’énergie libérée par la combustion de 9 litres d’essence permet de parcourir environ 100 km avec une voiture à moteur à essence à explosion.

Déterminez la masse de dihydrogène nécessaire pour fournir la même énergie avec une voiture à moteur à pile à combustible à hydrogène, sachant qu’un litre d’essence pèse environ 0,7 kg.

▶ 3. La production du dihydrogène.

a) Donnez la source utilisée pour la production de dihydrogène qui est pratiquement « sans limite » et expliquez pourquoi.

b) Indiquez les conditions de production de dihydrogène conformes au principe du développement durable.

▶ 4. « Les véhicules alimentés par une pile à combustible pourraient être les véhicules du futur. »

À l’aide des réponses aux questions précédentes, commentez cette affirmation en indiquant deux avantages et un inconvénient.

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Le document 1 décrit le principe de fonctionnement de la pile à combustible et ses avantages.

Le document 2 indique les deux filières de production du dihydrogène, l’un des combustibles nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible. Il vous donne les deux sources permettant cette production.

Le document 3 énumère les limites de la production du dihydrogène en tant que source d’énergie.

Organiser les réponses

1. Utilisez le document 1 et rappelez-vous votre cours pour équilibrer cette équation.

2. Il faut effectuer deux calculs de masse. Déterminez d’abord la masse de l’essence utilisée pour parcourir 100 km, puis souvenez-vous du rapport des énergies entre l’essence et le dihydrogène ; c’est le même rapport qui vous permettra de calculer la masse d’H2 nécessaire.

3. Référez-vous au document 2 en vous rappelant la source pratiquement illimitée de notre planète bleue. Le schéma vous aidera à trouver les conditions conformes au principe du développement durable de la production d’H2.

4. Cette question nécessite une courte rédaction. Pensez aux avantages énergétique et écologique de cette pile. Les inconvénients sont cités dans le document 3, choisissez-en un ou deux au maximum et gérez votre temps.

Corrigé

Corrigé

▶ 1. a) L’équation de la réaction est : H2 + O2 → H2O

L’équation ajustée sera : 2 H2 + O2 2 H2O

b) La chaîne énergétique de la pile est :

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▶ 2. On sait que 1 kg de H2 donne 3 fois plus d’énergie que 1 kg d’essence par combustion. Pour avoir autant d’énergie par le H2 que par l’essence, il faut utiliser 1/3 de cette masse.

Calculons la masse d’essence utilisée pour parcourir 100 km :

m (Essence) = 9 × 0,7 = 6,3 kg.

La masse de H2 nécessaire doit donc être 1/3 de la masse d’essence :

m (H2= 1/3 × m (Essence) = 1/3 × 6,3 = 2,1 kg.

Il faut donc 2,1 kg de dihydrogène pour produire l’énergie libérée par 9 L d’essence.

▶ 3. a) La source pratiquement illimitée utilisée pour produire le dihydrogène est l’eau. En effet, notre planète contient des étendues conséquentes d’eau liquide rendant cette source quasiment inépuisable.

b) Parmi les deux filières présentées dans le document 2, celle dont les conditions sont conformes au principe du développement durable est la filière B : l’électrolyse de l’eau.

▶ 4. Les véhicules actuels et les gaz qu’ils éjectent sont des sources importantes de la pollution de l’air et du réchauffement climatique. Les véhicules du futur doivent donc fonctionner avec un combustible moins polluant comme la pile à hydrogène.

L’un des avantages de cette pile est l’absence totale de rejet de dioxyde de carbone, ce qui la rend conforme au principe du développement durable. Son autre avantage est que le dihydrogène, l’un des combustibles utilisés par cette pile, produit trois fois plus d’énergie par combustion que la même quantité d’essence.

Il y a néanmoins quelques inconvénients dans l’utilisation d’une telle pile. L’un d’eux est le coût élevé qu’elle engendre par les matériaux rares et coûteux utilisés pour sa fabrication, comme le platine. En outre, le procédé le moins polluant pour la fabrication du dihydrogène nécessaire au fonctionnement de cette pile, l’électrolyse de l’eau, est encore très coûteux.