Production de dihydrogène

Tableau 1 : Caractéristiques physiques du dihydrogène (encyclopedia.airliquide.com)

1.1.2 Production de dihydrogène

Comme cité auparavant, l’hydrogène atomique est rarement trouvé sous sa forme libre, donc pour utiliser le dihydrogène, il est indispensable de le produire à partir des composés chimiques existants.

Les hydrocarbures constituent les éléments essentiels dans la chaine de production actuelle.

D’autres méthodes seront à mettre en œuvre lors de la disparition des produits fossiles, comme l’électrolyse de l’eau et l’exploitation de la biomasse.

Actuellement, 95 % du dihydrogène produit est fabriqué à partir des sources d’énergie fossile, l’électrolyse de l’eau ne représente que 4%, les autres méthodes ne comptent que pour 1%. Ces valeurs sont prises à une échelle mondiale.

Au niveau national, et durant l’année 2008, la quantité de dihydrogène produit était de 922 000 tonnes. Les matières premières utilisées pour cette production sont représentées dans l’histogramme 1 [IHS, IFP, Actualité chimique n°347, CETH2].

Histogramme 1 : Matières premières utilisées pour produire du dihydrogène (France-2008) 0 Température d’auto-inflammation 560°C sous 1,013 bar Chaleur massique à volume constante C_v = 10,3 kJ/kg. K Chaleur massique à pression constante C_p = 14,3 kJ/kg. K Pouvoir calorifique supérieur PCS = 140 MJ/kg Pouvoir calorifique inférieure PCI = 120 MJ/kg

Divers Solubilité dans l’eau : 0,0214 vol/vol

Concentration dans l’air :0,00005 vol%

12 Dans ce qui suit, une description rapide des méthodes et de protocoles industriels pour la production de dihydrogène est introduite.

1.1.2.1 Production de dihydrogène par le vaporeformage de gaz naturel

Le gaz naturel contient essentiellement le méthane CH₄, gaz qui devra être désulfuré avant de le diriger vers le processus de vaporeformage [2]. Le processus de vaporeformage consiste à faire deux réactions chimiques, la production du dihydrogène et la conversion du CO (monoxyde du carbone). Ces deux réactions sont respectivement les suivantes :

CH₄+ H₂O ↔ CO + 3H₂ avec ∆H = 206 kJ/mol Réac.I.1 CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ avec ∆H = −41 kJ/mole Réac.I.2 Bilan des deux réactions :

CH₄+ 2H₂O ↔ CO₂+ 4H₂ avec ∆H = 165 kJ/mole Réac.I.3 Après ces deux réactions, le dihydrogène produit a un degré de pureté entre 95 et 98 %. Le rendement de ce processus est de 50%.

1.1.2.2 Production de dihydrogène par oxydation partielle

La méthode de l’oxydation partielle pourra être appliquée sur des produits légers comme les gaz naturels, aussi bien que sur des composés lourds comme des résidus sous forme de chaines hydrocarbonées. L’oxydation partielle des produits légers (les gaz naturels) est essentiellement appliquée au méthane. Cette oxydation est décomposée en deux réactions [1] :

CH₄+1

2O₂ → CO + 2H₂ avec ∆H = −36kJ/mole Réac.I.4 CO + H₂O → CO₂+ H₂ avec ∆H = −41 kJ/mole Réac.I.5 Bilan des deux réactions :

CH₄+ H₂O +1

2O₂ → CO₂+ 3H₂ avec ∆H = −77 kJ/mole Réac.I.6 La réaction (Réac.I.4) a un caractère exothermique, avec un rapport du H₂/CO = 2. Le rendement massique maximal en dihydrogène par rapport au réactif (méthane) est de 37,5 %.

Ce rendement est moins bon que celui du vaporeformage.

13 1.1.2.3 Production de dihydrogène par gazéification du charbon

Cette méthode consiste à convertir un solide carboné en un gaz combustible chargé de dihydrogène et de monoxyde du carbone. Cette réaction se déroule à haute température afin d’assurer la conversion totale du solide et de minimiser la quantité des résidus obtenus. La réaction de gazéification est endothermique, elle s’opère sous une température de 1000°C environ. Elle est décrite par l’équation chimique suivante :

C_(s)+ H₂O → CO + H₂ Réac.I.7

Gazéifier le charbon est un long processus qui se décompose en quatre étapes : 1. Séchage de la matière carbonée qui produit de la vapeur d’eau

2. Pyrolyse des produits secs 3. Oxydation des gaz de pyrolyse 4. La gazéification du carbone

La figure 1 représente le processus de la gazéification du charbon.

Figure 1 : Processus de gazéification du charbon pour la production de dihydrogène

14 1.1.2.4 Production de dihydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau

Le dihydrogène peut être produit à partir de l’électrolyse de l’eau, c’est une réaction électrochimique qui consiste à décomposer la molécule d’eau en dihydrogène et dioxygène avec l’aide d’un courant électrique, figure 2.

Les deux demi-réactions qui se produisent du côté anode ou cathode sont les suivantes [3] : H₂O →¹₂O₂+ 2H⁺+ 2e⁻ (Anode) Réac.I.8

2H⁺+ 2e⁻ → H₂ (Cathode) Réac.I.9 Bilan des deux demi-réactions :

H₂O →1

2O₂+ H₂ Réac.I.10

Ce processus a un rendement qui varie entre 60 et 70%.

Figure 2 : Montage typique d'un électrolyseur d'eau

Actuellement, l’électrolyse de l’eau est la méthode privilégiée de production de dihydrogène à partir des énergies renouvelables.

1.1.2.5 Production de dihydrogène par voies biologiques

La production par voie biologique de dihydrogène peut être définie comme le résultat du processus du métabolisme des êtres vivants. Ce type de production s’opère sous des conditions ambiantes de pression et de température et sans aucun apport énergétique, ce qui permettra la mise en valeur de certaines ressources naturelles et non toxiques pour produire le dihydrogène [4]. Les procédés biologiques pour produire le dihydrogène peuvent être classés en quatre

15 catégories :

1. La bio-photolyse de l’eau par les algues et les cyanobactéries.

2. La fermentation bactérienne des composés organiques.

3. La photo-décomposition des composés organiques par des bactéries photosynthétiques.

4. Les systèmes hybrides à partir de bactéries photosynthétiques et anaérobiques.

A titre d’exemple, la bio-photolyse de l’eau s’appuie sur le principe de la photosynthèse connu chez toutes les plantes.

1.1.2.6 Production de dihydrogène par des cycles thermochimiques

Le principe des cycles thermochimiques est de faire dissocier la molécule d’eau par une succession de réactions chimiques à des températures inférieures à celle de la thermolyse de l’eau (2500K) [5].Ces réactions peuvent être faites en introduisant certains composés chimiques comme : S, I, Ca, Cu… afin de produire du dioxygène et du dihydrogène. Les cycles thermochimiques sont classés en deux catégories, figure 3.

1. Les cycles thermochimiques de base (ou purs) qui utilisent seulement la chaleur pour dissocier l’eau.

2. Les cycles thermochimiques hybrides (chaleur + courant électrique)

Figure 3 : Cycles thermochimiques pour la production du dihydrogène (A : cycle de base ; B : cycles hybrides)

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