La thermochimie est la partie de la chimie qui étudie les phénomènes thermiques qui accompagnent les réactions chimiques. Les techniques de production thermochimiques sont donc des réactions qui utilisent les différences de chaleur et de pression pour obtenir du dihydrogène.
La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est aujourd’hui la plus répandue, mais elle ne constitue pas une solution à long terme car les énergies fossiles vont s'épuiser rapidement. Elle ne peut donc être qu’une solution à moyen terme. De plus cette technique génère du CO2.
On peut produire du dihydrogène de cinq façons différentes avec des technologies thermochimique :
1.1.1 Le vaporeformage du gaz naturel
Le gaz naturel contient en majorité du méthane, mais contient aussi du CO2 et du soufre. on doit d'abord éliminer le souffre avec la désulfuration. Le procédé de vaporeformage se sépare ensuite en deux réactions : la première est la réaction du méthane avec l'eau qui produit du CO et du H2 , la seconde est la réaction de Water Gas Shift entre l'eau et le CO qui produit du CO2 et du H2
ci dessous une usine Air Liquide de production de dihydrogène pour l'industrie et un schéma explicatif du vaporeformage.
1.1.2 L’oxydation partielle
L'oxydation partielle est aussi une technique de production d'hydrogène très utilisé, il s'agit de la réaction entre un carburant ( hydrocarbures légers, voire le charbon) et de l'oxygène pour produire du monoxyde de carbone, on purifie ensuite le gaz pour obtenir du CO puis du CO2 et de l'H2 .
1.1.3 Le reformage autotherme
Le reformage autotherme est une réaction dans laquelle le carburant est mélangé avec de l'air et de l'eau. L'oxydation partielle (réaction avec l'air) dégage de la chaleur ( réaction exothermique) qui est utilisée ensuite par le vaporeformage (réaction avec l'eau)qui nécessite de la chaleur ( réaction endothermique)c'est interessant car il n’y a pas besoin d'apporter de chaleur.
Plusieurs carburants peuvent être utilisés : le gaz naturel, le méthanol ou des hydrocarbures.
1.1.4 La gazéification du charbon
Cette technique est beaucoup utilisée en Afrique du Sud et en Chine. En effet elle n'est intéressante que lorsque les prix du pétrole et du gaz sont élevés (et il y a de fort risques qu'ils augmentent dans les prochaines années) On s'interesse beaucoup à ce procédé car on produit de l'électricité et de l'hydrogène !
Une mine de charbon en afrique du sud près de Messina.
Le principe :on mélange du charbon avec de l'eau et de l'air à 1000°C et sous haute pression, ce qui permet d’obtenir un gaz contenant en majorité du CO et de l'hydrogène. L’élimination du monoxyde de carbone se fait grâce à la réaction de Water Gas Shift, le CO2 formé étant ensuite dissous.
1.1.5 La gazéification et la pyrolyse de la biomasse
Des scientifiques américains du département américain de l’énergie tentent de produire de l’hydrogène avec la biomasse grâce à des procédés de gazéification et de pyrolyse.
La biomasse peut prendre des formes variées :
L'objectif est d'utiliser la matière végétale comme un combustible fossile, en effet en utilisant les résidus et les pertes agricoles, on peut obtenir de la bio-huile qui s'assimile à une énergie fossile, on peut donc utiliser le reformage.
Ce procédé de poduction est encore à l'état de recherche.
1.2 La production à partir du nucléaire
Une autre façon de produire de l'hydrogène est le nucléaire. Depuis quelques années, on étudie les réacteurs nucléaires de 4e génération. Ils sont plus sûrs et permettent une plus faible consommation de combustible nucléaire, moins de déchets et en plus d’électricité, produisent du dihydrogène. Les rendements (énergie produite/énergie dépensé pour la produire) sont environ de 50 %.
Les centrales abritant le réacteur de 4ème génération.
La nouvelle technologie mise à l'étude dans ces réacteurs nucléaires serait un réacteur à gaz à très haute température (1100°C), noté VHTR (Very High Temperatur Reactor). Le haut niveau de température permet la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène. Cependant, cette technologie ne serait disponible que vers 2030-2040.
Il existe également un projet ITER de fusion nucléaire également producteur d’hydrogène, les retombées de la recherche ne sont attendues que pour la fin du siècle
1.3 La production par électrolyse
L’électrolyse de l'eau est utile car elle permet de produire de l'hydrogène et de l'oxygène très pur à partit d'eau. Cependant, l'électrolyse fournit seulement un petit pourcentage de l'hydrogène du monde car elle est coûteuse en électricité.
L'électrolyse de l'eau serait plutôt utilisée pour stocker l'énergir produite notament par les possibilité réside dans l’utilisation de l'électricité produite par des centrales nucléaires, et plus particulièrement lors des heures creuses. On pourrait donc stocker l'énergie sous forme chimique et la réutiliser plus tard.
Centrale solaire dans le Nevada aux US :
Comme l'électricité a un prix élevé, le prix de l’électrolyse est très élevé comparé à celui du reformage. pour augmenter la rentabilité il faudrait avoir une électricité moins cher.
Fonctionnement de l’électrolyse
La réaction électrochimique d'électrolyse est la réaction inverse à celle qui a lieu dans une pile.
La cellule électrolytique est formée de deux électrodes, une cathode (l'électrode connectée au pôle négatif du générateur) et une anode (l'électrode connectée au pole positif du générateur). Il y a également un électrolyte et un générateur de courant.
L’électrolyte doit être perméable aux protons mais ne pas laisser s'échapper les gaz c'est en général une membrane.
Dans le cas d'une membrane échangeuse de protons, les réactions sont les suivantes :
- à l'anode, des électrons se forment grâce à l’oxydation de l'eau en oxygène et en protons ( c'est une oxydation)
2H2O -> 4H+ + 4e- + O2
- à la cathode, les protons, passent à travers la membrane, se réduisent avec les électrons pour donner de l'hydrogène (c'est une réduction)
2H+ + 2 e- -> H2
Ainsi, grâce à du courant électrique, l'eau est dissociée en hydrogène et en oxygène
Concernant l'énergie nécessaire, il faut 285kJ ppour dissocier une mole d'eau soit 18.0 g d'eau. On apporte de l'énergie électrique, il faut environ un potentiel électrique de 1.48 V.
Cliquer ici pour voir l'électrolyse de l'eau fait en groupe en laboratoire
(une page d'avertissement va s'afficher, vous pouvez télécharger le dossier WORD en toute confiance)
1.4 Les procédés photolytiques
1.4.1 Le procédé photobiologique
Certains microbes synthétisent, au cours d'acivités énergétiques des molécules de dihydrogène, ces micro-organismes pourrait produire du dihydrogène à partir d’énergie solaire ! En utilisant des catalyseurs (accélérateurs de réactions), le rendement de production de dihydrogène a avoisiné 24% en laboratoire.
Certes ce mode de production est encore à l'état de recherche mais il pourrait devenir très interessant dans les 20 prochaines années.
Des scientifiques allemands pensent qu'un solution posiible pour augmenter le rendement d'effectuer des manipulations génétiques pour remplacer les phases de croissance par des phase de production de dihydrogène.
1.4.2 La photoélectrolyse
Enfin une technologie interessante pour le long terme est la photoélectrolyse. La lumière du soleil intervient sur une cellule photoélectrochimique immergée dans l'eau, cela produit des bulles de dihydrogène et de dioxygène qui peuvent être récupérées.
Un des nombreux avantages de cette technique est qu'elle permet une production directe de dihydrogène et qu'elle revient moins cher qu'un électrolyseur.
Le rendement actuel de la technique est de 7.8% avec une pile photovoltaÏque à silcium. c'est relativement peu mais dans les prochaines années ce rendement devrait augmenter fortement car des recherches sont en cours.