Production durable d’hydrogène

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Exercices
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : L'eau

Doc 1

En 2006, l’IEA (Internationnal Energy Agency) indique que la demande mondiale en énergie, toutes énergies confondues, était de 11,79 Gtep (milliards de tonnes équivalent pétrole). Comme 1 kg d’hydrogène représente 0,002 867 tep, il faudrait donc produire 4,114 milliards de tonnes d’hydrogène par an pour fournir la demande mondiale en énergie. Or notre production ne représente actuellement que 1,5 % de cette estimation.

Doc 2 Différents modes de production du H2

La production de dihydrogène s’obtient le plus souvent par un procédé d’extraction chimique d’hydrocarbures fossiles. Le dihydrogène peut également être extrait de l’eau via la production biologique d’hydrogène par des algues (ou autres organismes) mais aussi par électrolyse, ou encore par la chaleur (thermolyse) ; ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, par rapport à celle dérivée des hydrocarbures par voie chimique.

l À partir des hydrocarbures

Le dihydrogène peut être généré à partir du gaz naturel, avec un rendement d’environ 80 %, ou à partir d’autres hydrocarbures avec des degrés divers d’efficacité. La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre.

Exemple de réaction de synthèse, ici la synthèse à partir du gaz naturel :

l Production biologique à partir de l’eau

Le biohydrogène peut être produit dans un bioréacteur à algues. À la fin des années 1990, il a été découvert que si l’algue est privée de soufre, elle passe de la production d’oxygène, c’est-à-dire la photosynthèse normale, à la production du dihydrogène.

Il semble que la production soit à présent économiquement possible par le dépassement de la barrière des 10 % d’efficacité énergétique (la conversion de la lumière du soleil en hydrogène).

Il est possible de produire le biohydrogène dans des bioréacteurs qui utilisent des matières premières autres que les algues. Un prototype de bioréacteur à hydrogène qui utilise des déchets comme matière première est opérationnel à l’usine de jus de raisin Welch, dans le nord-est de la Pennsylvanie.

l Production par électrolyse de l’eau

Il est plus efficace de produire de l’hydrogène par le biais d’une voie chimique directe que par électrolyse, mais la filière chimique conduit toujours à produire de la pollution ou des sous-produits toxiques lors de l’extraction de l’hydrogène. Avec une alimentation en énergie électrique renouvelable, comme l’hydroélectricité, les éoliennes, ou des cellules photovoltaïques, l’électrolyse de l’eau permet de produire l’hydrogène sans pollution ou presque. Si cette méthode n’a pas été largement utilisée dans le passé c’est qu’en général l’électricité consommée est plus précieuse que le dihydrogène produit, mais l’importance de l’électrolyse croît à mesure que la population humaine et la pollution augmentent, que des ressources non renouvelables (composés de carbone) se réduisent et que les gouvernements suppriment les subventions des carburants à base de carbone.

Doc 3 Production totale de H2

Doc 4 Utilisation du H2

Doc 5 Le biohydrogène

La fermentation orientée vers la production d’hydrogène est un procédé qui est apparu récemment dans le domaine des biotechnologies. Plutôt considérée comme un processus de dégradation indésirable de la matière organique générant des nuisances olfactives et des sous-produits sans grand intérêt, tels que l’acétate et le butyrate, elle est devenue attrayante par sa production d’hydrogène.

D’un point de vue industriel, la filière de production d’hydrogène par fermentation sombre n’a pas encore un réel intérêt économique, mais le développement des industries de la filière du bioéthanol de seconde génération, transformant les plantes entières en sucres simples, fait naître de nouveaux espoirs via la valorisation des sous-produits de cette filière.

En effet, la production d’hydrogène par fermentation s’applique à une large gamme de substrats organiques qu’il s’agisse d’hydrates de carbone purs ou non, de déchets organiques ou autres résidus agricoles.

Néanmoins, les limites à l’industrialisation de la production de dihydrogène par fermentation restent nombreuses. Les rendements moyens de conversion des hydrates de carbone, à l’échelle pilote, et dans de bonnes conditions de productivité, restent inférieurs à 0,2 L d’hydrogène par gramme de sucre alors qu’il faudrait atteindre les 1,6 L d’hydrogène par gramme de sucre pour obtenir une conversion totale.

É. Latrille, É. Trably, C. Larroche, « Production de biohydrogène :
voie fermentaire sombre », mai 2011, www.techniques-ingenieur.fr

1. Quel pourcentage de dihydrogène est actuellement synthétisé à partir de ressources fossiles ?

2. Faire un schéma du dispositif de l’électrolyse envisagée dans le document 2. L’équation de la réaction étant .

3. En vous appuyant sur les documents ainsi que sur vos connaissances, développez un commentaire argumenté expliquant comment doit évoluer la production du dihydrogène pour devenir une énergie durable. Vous prendrez soin de faire le point sur la production actuelle (avec ses avantages et ses inconvénients) avant de développer de façon ordonnée les différentes possibilités de production « verte ».

Votre développement ne devra pas excéder une trentaine de lignes.

Le dihydrogène est un vecteur énergie car on peut, grâce à lui, transporter de l’énergie.