Ecologie Solutions
PILES COMBUSTIBLE ou HYDROGENE et MOTEURS PROPRES

Piles à combustible...

La pile à hydrogène
Générateur de courant qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue.

De l'hydrogène, combiné à l'oxygène de l'air ambiant, produit un courant capable d'alimenter le moteur d'un véhicule.
Plus de gaz d'échappement comme dans les moteurs à combustion interne, le résidu est de la vapeur d'eau...

Par rapport aux accumulateurs rechargeables, la pile à combustible (PaC) est donc une alternative d'avenir !
Ecologiquement, plus aucune émission théorique en CO² et autres polluants nuisibles à l'environnement et à la santé...
Enfin, ces piles présentent deux autres avantages appréciables :
- un haut rendement énergétique,
- pas de nuisance sonore.

L'hydrogène
C'est un gaz qui ne se trouve dans l'atmosphère qu'à l'état de traces ; il est donc produit, à partir d'hydrocarbures (pétrole et ses dérivés), ou par électrolyse de l'eau, dont il représente la fraction la plus légère de la molécule H²O.
L'hydrogène est incolore, extrêmement inflammable, très léger et réagit facilement en présence d'autres substances chimiques.


La production d'hydrogène
L'électrolyse de l'eau
Le système le plus facile à mettre en oeuvre est l'électrolyse de l'eau qui peut être une solution d'utilisation intelligente d'une surproduction temporaire d'électricité.
C'est la décomposition chimique de certaines substances sous l'effet d'un courant électrique.
Le dispositif de production consiste en une cuve contenant un électrolyte (l'eau) dans lequel sont plongées deux électrodes reliées aux bornes d'un générateur de courant continu.
On appelle anode l'électrode reliée à la borne positive du générateur et cathode celle reliée à la borne négative du générateur.

Shéma expliquant l'électrolyse de l'eau


Au cours de cette opération électro-chimique :
- l'ANODE se comporte comme un oxydant, en attirant les électrons,
- la CATHODE se comporte comme un réducteur, en émettant des électrons.


principe de la pile à combustible
Cette technologie est fondée sur la conversion de la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène en électricité + eau.
Comme toutes les piles, elle a une cathode (+) et une anode (-) séparées par un électrolyte qui permet le passage du courant par transfert ionique des charges.
De même, elle consomme son oxydant (ici le dioxygène ) et son réducteur (ici le dihydrogène ) et continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en ces éléments.
A noter que le réducteur utilisé peut être égalementi du méthanol ou du gaz naturel.

à l'anode
a lieu la réaction d'oxydation suivante : H²  2H+ + 2e–
Il y a donc production de 2 électrons par molécule de dihydrogène.
L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique.

à la cathode
a lieu la réaction de réduction suivante : O² + ;4H++ 4e– 2H²O

La tension théorique produite est de 1,23 Volt pour une pile fonctionnant à 25°C avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs à 1 bar.
En pratique, la tension fournie par une pile débitant un courant électrique évolue généralement entre 0,5 et 0,8 Volt.
La perte de potentiel constatée étant due à différents phénomènes physiques se produisant au niveau des électrodes, de l'électrolyte, principalement.

Une pile à hydrogène est donc une pile électrique dont le combustible est l'hydrogène et dont le déchet produit est... de l'eau.


fonctionnement
Le processus consiste à injecter sous pression l'hydrogène moléculaire (H²) au travers d'une membrane polymère pour qu'il se combine avec l'oxygène de l'air.
En traversant la membrane, les molécules de H² se scindent pour devenir des atomes H, ce qui libère des électrons. Comme l'atome d'hydrogène ne peut exister à l'état libre, il cherche à se lier à d'autres atomes dont l'oxygène (O²) pour former des molécules d'eau.
La libération des électrons qui se fait à l'anode (-) et la captation à la cathode (+) produisent entre les deux pôles de l'électricité utilisable par un moteur électrique.

La pile à hydrogène est donc un générateur qui fonctionne à l'inverse de l'électrolyse de l'eau en transformant l'énergie chimique en énergie électrique directement.


Shéma de principe de la pile à combustible


La photodécomposition du sulfure d'hydrogène
principe
Le professeur Kazuyuki Toji de l'Université de Tohoku a développé une méthode pour créer de l'hydrogène par exposition de sulfure d'hydrogène aux rayons du soleil.
L'intérêt de cette méthode de production d'hydrogène est de réduire les coûts.
En effet, la photodécomposition de sulfure d'hydrogène nécessite moitié moins d'énergie que la traditionnelle électrolyse de l'eau.

méthode
A une solution acqueuse de sulfure d'hydrogène est ajouté un catalyseur à base de cadmium sulfate. Le mélange est ensuite fouetté jusqu'à obtention d'une mousse.
L'hydrogène est produite par exposition de cette solution aux rayons du soleil.
Un m² de surface recouvert avec cette solution exposée aux rayons du soleil produit environ 7 litres d'hydrogène par heure, soit 20 fois plus qu'avec la méthode électrolytique.


Développements
- c'est certainement une des pistes les plus intéressantes pour remplacer les moteurs thermiques actuels.
- c'est aussi une manière de stocker une surproduction électrique sous forme d'hydrogène et d'oxygène.

La voiture à pile à combustible


Voir également la page consacrée aux véhicules équipés de moteurs électriques.


Des avancées déterminantes
Des piles à combustible moins chères et plus efficaces sont en cours de développement.
En effet, jusqu'à présent, ce type de piles ne devait fonctionner à des températures inférieures à 90° C, soit juste en dessous du point d'ébullition de l'eau.
Or, des chimistes de l'Université de Calgary et de l'Institut Stéacie des Sciences Moléculaires du CNRC (Ottawa, Ontario) ont découvert un nouveau matériau qui permet à ces piles de fonctionner à des températures pouvant aller jusqu'à 150° C. Cette découverte permettrait d'augmenter l'efficacité de ces piles et d'en diminuer le coût. La possibilité de fonctionner à de plus hautes températures permet également d'envisager l'utilisation de catalyseurs (substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique) autres que le platine.


Forum
L'hydrogène n'est pas une source d'énergie inépuisable ; il n'y a pas de puits d'hydrogène ! pour obtenir de l'hydrogène il faut "craquer" une molécule de gaz ou de pétrole ou d'eau, pour ce faire il faut beaucoup d'énergie : du solaire de l'éolien ou du nucléaire.
JP.D

Votre remarque va de soi, mais gérer l'environnement n'est pas affaire d'intégrisme :
Il ne s'agit pas de supprimer toute source de pollution, ce qui en poussant l'idée jusqu'au bout oblige à supprimer toute vie animale, empêcher les volcans de fonctionner et autres joyeusetés...
A mon humble avis, il s'agit de choisir, à chaque fois que c'est possible, des systèmes ou organisations plus respectueux de l'environnement et je préfère donc l'hydrogène aux matières fossiles, à la fois propre, inépuisable elle est un progrès, même si pour la produire actuellement en quantité on a besoin d'électricité !
Savez-vous par ailleurs qu'il existe des organismes qui la produisent naturellement ?
Une piste à suivre sans doute.
P.H

Je cherche à comprendre comment vous pouvez écrire je préfère l'hydrogène aux énergies fossiles. Car ce choix n'est pas possible aujourd"hui à ma connaissance. Pour produire l'hydrogène nécessaire au transport il faudrait par exemple doubler le parc de centrales ucléaires.
Pourquoi pas ? Je préfère alors dire fossile ou nucléaire (pour hydrogène).
Par ailleurs l'hydrogène est particulièrement difficile à manipuler (zeppelin) et probablement dangereux écologiquement (il n'y en a pas sur terre aujourd'hui et en rejeter en grandes quantités nous amène vers l'inconnu). Le choix des mots pour parler de l'énergie et de l'hydrogène en particulier est fondamental ; l'hydrogène est pour moi un moyen de transport ou de stockage, un vecteur et pas une source, sauf à me préciser ce qu'on peut envisager avec des bactéries.
Je pense que ma vision est assez proche de celle de Jancovici qui a aussi réagi à des propos proches des vôtres.
Energétiquement vôtre.

JP.D

Cher JP.D
Vous mélangez tout pour tenter de faire une salade écologique que je ne partage pas :
- carburants propres, carburants fossiles (qui deviendront insoutenables en terme de disponibilité et donc de prix),
- pollution au CO² (préjudiciables pour le climat) et pollutions chimiques par les centaines de composés issus du brûlage des matières fossiles ou organiques.
Il y a donc plusieurs problèmes à mettre dans la balance : disponibilité des ressources, coût, conséquences sur le climat, conséquences sur la santé.
Nulle solution n'est parfaite, mais il y en a toujours une moins mauvaise que les autres, pour les remplacer !
- L'hydrogène est disponible en grande quantité (même s'il ne faut pas la produire de n'importe quelle façon et en évitant les plus polluantes, donc le craquage du GN), ce qui est le cas de l'électrolyse de l'eau,
- le soleil et ses énergies dérivées permet d'obtenir de l'électricité de façon propre et renouvelable,
- le moteur à hydrogène ne produit ni CO², ni matières dangereuses pour la santé.
Je soutiens donc moi aussi le développement de cette technologie et son application aux moyens de transports.
Quant à Jancovici, il lui arrive de quitter la réalité en voulant trop théoriser ou généraliser ses approches économico-écologiques ; ceci dit sans aucune animosité !
La seule proposition qui invite à ne plus consommer est à la fois irréalisable et ne fera que renforcer la légion des "aquabonistes" chers à Gainsbourg ou encore pire, former un front anti-écologie, qui pour le coût sera durable.
B.E

Réponse à JP.D
Vous êtes sans doute plein de bonne volonté écologique, mais il vous manque certaines bases pour raisonner correctement !
Un point précis par exemple : l'hydrogène étant prélevée dans le milieu naturel et restituée à ce même milieu sous la forme H²O (de l'eau tout simplement) il n'y a en aucun cas augmentation de la quantité d'hydrogène dans l'atmosphère (soit actuellement 0,01 % !).
Bien que l'épaisseur de l'atmosphère varie notablement selon plusieurs paramètres (latitude, champ magnétique terrestre, vent solaire, interférences et rotation du système Terre-Lune...) elle est d'environ 60 km au-dessus de l'équateur, et 30 km au-dessus des pôles.
Je vous laisse donc calculer la ressource volumique d'hydrogène que cela représente !
Mais de toute façon, si l'on extrait cet hydrogène de l'eau et qu'on la restitue ensuite sous cette même molécule, il n'y a aucun impact sur la quantité d'Hydrogène de l'atmosphère :
électrolyse de l'eau donne H² + 0²
O² + H² = H²0 + énergie
A.P

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