Sommaire |
L'hydrogène est produit par extraction à partir hydrocarbures combustibles fossiles par procédés chimique.L'hydrogène peut également être extrait de l'eau via production biologique par des algues (bioréacteur), ou en utilisant l'électricité (électrolyse), des produits chimiques (par réduction chimique) ou la chaleur (thermolyse); ces méthodes de production sont moins développées par rapport à la de production dérivées des hydrocarbures par voie chimique. La découverte et le développement de méthodes moins coûteuses de production de masse d'hydrogène permettra d'accélérer la mise en place d'une économie de l'hydrogène.
Depuis les hydrocarbures
L'hydrogène 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. Étant donné que la production est concentrée dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de les éliminer de façon adéquate, par exemple pour les injecter dans une huile ou réservoir de gaz (voir la capture du carbone), bien que ce ne soit pas le fait actuellement dans la plupart des cas. Un projet d'injection de dioxyde de carbone dans le gisement de gaz de Sleipner a été lancé par la compagnie norvégienne StatoilHydro.
Réduction de la vapeur d'eau
Commercial en vrac est généralement l'hydrogène produit par la réduction de la vapeur par le gaz naturel. A haute température (700-1100 °C), de la vapeur (H 2 O) réagit avec le méthane (CH 4) pour obtenir un mélange de CO (monoxyde de carbone) et d'hydrogène, mélange connu comme "gaz de synthèse".
- CH4 + H2O → CO + 3 H2 + 191,7 kJ / mol
La chaleur nécessaire pour conduire le processus est généralement fournie par combustion une partie du méthane.
Monoxyde de carbone
De l'hydrogène supplémentaire peut être récupéré par l'ajout d'eau par le biais de la réduction de l'eau réalisée à environ 130°C:
- CO + H2O → CO2 + H2 - 40,4 kJ / mol
Essentiellement, le atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en CO2. Cette oxydation permet également de conserver l'énergie de la réaction en cours.
Procédé de Kværner
Le procédé de Kvaerner ou du noir de carbone et hydrogène processus (CB & H) [1] est une méthode, développée dans les années 1980 par une société norvégienne du même nom, pour la production de vapeur à partir d' hydrocarbures (CnHm), tels que méthane, gaz naturel et biogaz.
De l'énergie disponible, environ 48% est contenue dans l'hydrogène, 40% est contenue dans charbon activé et 10% dans la vapeur surchauffée. [2]
Charbon
Le charbon peut être converti en gaz de synthèse et méthane, aussi connu sous le nom de gaz de ville, par la gazéification du charbon.
Production d'hydrogène par fermentation
la production d'hydrogène par fermentation est la conversion de substrat organique en [Production biologique d'hydrogène par des algues|Biohydrogène]] par un groupe bactéries utilisant plusieurs systèmes d'enzyme impliquant trois étapes semblables à la digestion anaérobie. Les réactions de fermentation noire ne nécessitent pas l'énergie de la lumière, de sorte qu'elles sont capables de produire constamment l'hydrogène à partir de composés organiques tout au long de la journée et la nuit. La photo fermentation diffère de la fermentation noire parce qu'elle ne produit en présence de lumière. Par exemple la photo-fermentation avec Rhodobacter sphaeroides SH2C peuvent être employées pour convertir de petites molécules d'acides gras en hydrogène [3]. L' Electrohydrogenèse est utilisée dans pile à combustible microbiennes.
A partir de l'eau
Production Biologique
Article détaillé : Production biologique d'hydrogène par des algues.Le biohydrogène peut être produit dans un bio-réacteur 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 photosynthèse normale, à la production de l'hydrogène.
Il semble que la production est maintenant économiquement possible par le dépassement de la barrière des 7-10 pour cent de l'efficacité énergétique (la conversion de la lumière du soleil en hydrogène).
Le biohydrogène peut et est produit dans des bioréacteurs qui utilisent des matières premières autres que les algues, la la source la plus commune étant les flux de déchets. Le processus implique des bactéries consommant des hydrocarbures et rejetant de l'hydrogène et du CO2. Le CO2 peut être séquestré avec succès par plusieurs méthodes, en laissant l'hydrogène. Un prototype de bioréacteur à hydrogène en utilisant les déchets comme une matière première est opérationnel à Welch l'usine de jus de raisin dans le nord-est de la Pennsylvanie.
Électrolyse
Article détaillé : Électrolyse.Il est plus efficace pour 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 hydrogène. Avec une alimentation en énergie électrique renouvelable , comme l'hydroélectricité, les éoliennes, ou des cellules photovoltaïques, électrolyse de l'eau permet à l'hydrogène d'être produit sans pollution. si cette méthode n'a pas été largement utilisée dans le passé c'est que habituellement, la production d'électricité est plus précieuse que l'hydrogène, mais l'importance de l'électrolyse est de plus en plus grande à mesure que la population humaine et la pollution augmentent, que des ressources non renouvelables (composés de carbone) se réduisent et que les gouvernements de suppriment les subventions des carburants à base de carbone.
Fractionnement photoélectochimique de l'eau
Article détaillé : cellule photoélectrochimique.Utiliser l'électricité produite par des systèmes photovoltaïques offre façon la plus propre de produire de l'hydrogène. L'eau est divisé en hydrogène et oxygène par électrolyse dans une cellule photoélectrochimique (PEC) qui est aussi nommé la photosynthèse artificielle. La recherche visant à l'élaboration d'efficacité supérieure multijunction la technologie des piles est en cours par l'industrie photovoltaïque.
Électrolyse à haute température
Article détaillé : Électrolyse à haute température.Lorsque l'approvisionnement en énergie est sous forme de chaleur (solaire thermique ou nucléaire), la meilleure voie à l'hydrogène est l'électrolyse par haute température (HTE). Contrairement à basse température d'électrolyse, de l'eau HTE convertit plus que chaleur initiale en énergie (hydrogène), potentiellement cela double l'efficacité d'environ 50%. Parce une partie de l'énergie dans HTE est fournie sous forme de chaleur, moins d'énergie doit être convertie à deux reprises (de la chaleur à l'électricité, et ensuite de la forme chimique), et ainsi moins d'énergie est perdue.
HTE processus sont généralement considérés uniquement en combinaison avec une source de chaleur nucléaires, parce que dans les autres formes non-chimique de haute température, la chaleur (la concentration solaire thermique) n'est pas suffisante pour faire baisser les coûts d'investissement de l'équipement HTE. La recherche en HTE et à haute température des réacteurs nucléaires peut aboutir à un approvisionnement en hydrogène qui est compétitif en termes de coûts au gaz naturel avec réduction de la vapeur. HTE a été démontré en laboratoire, mais pas à une échelle industruelle.
Certains prototypes de réacteurs de quatrième génération fonctionnent de 850 à 1000 degrés Celsius, température considérablement plus élevée que celle des centrales nucléaires existante . General Atomics (en) prédit que l'hydrogène produit dans les réacteur à très haute température (Very High Temperature Reactor - VHTR) coûterait 1.53$ le kg. En 2003, la réduction de la vapeur par gaz naturel produisait l'hydrogène à 1.40$ le kg. En 2005 le prix du gaz l'hydrogène coutait 2.70$ le kg. Par conséquent, seulement aux États-Unis, une économie de dizaines de milliards de dollars par an est possible avec l'offre de l'énergie nucléaire. Une grande partie de cette épargne se traduirait par une réduction des importations de pétrole et de gaz naturel.
Un avantage d'un réacteur nucléaire qui produit à la fois électricité et hydrogène est qu'il peut moduler la production entre les deux. Par exemple, l'usine pourrait produire de l'électricité pendant la journée et nuit de l'hydrogène, correspondant à son profil de production électrique et à la variation quotidienne de la demande. Si l'hydrogène peut être produit économiquement, ce régime serait en concurrence favorable avec les grille de stockage de l'énergie. Qui plus est, il y a suffisamment de demande d'hydrogène aux États-Unis que tous les tous les jours de pointe pourraient être traitées par ces usines. Toutefois, les réacteur de Génération IV ne sont pas attendus avant 2030 et il est pas certain qu'ils puissent accorder la sécurité et la répartition de la distribution.
Production chimique
Parmi les différents métaux qui peuvent réagir avec des solutions aqueuses pour produire de l'hydrogène, l'aluminum et ses alliages sont parmi les plus appropriés pour le développement à l'avenir des processus de production d'hydrogène [4]. L'aluminum peut être stocké et transporté d'une manière simple, plus sûr et moins cher que l'hydrogène. Il est stable dans les conditions habituelles et beaucoup moins cher que le borohydrure de sodium (3 $ kg-1) [5]. Les réactions de l'aluminum avec les solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium sont les suivants [6]:
- 2Al + 6H2O + 2NaOH → 2NaAl(OH)4+3H2
- NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3
- 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
Initialement, la génération d'hydrogène de réaction (1) consomme de l'hydroxyde de sodium, mais lorsque la concentration est supérieure à aluminates de la limite de saturation, aluminate subit une réaction de décomposition (2) qui produit un précipité cristallin de l'hydroxyde d'aluminium avec la régénération de l'alcali. La réaction (2) a été étudié en profondeur concernant la pile à aluminium. Dans l'ensemble, l'hydrogène générateur de réaction de l'aluminium dans une solution aqueuse est décrit par réaction (3). Il a été démontré que ce processus est en mesure de produire de l'hydrogène à partir de Al avec régénération des ions hydroxydes [7]. Un obstacle majeur à la production d'hydrogène par réaction de corrosion ce qui est de la surface de l'aluminium est facilement passive [8], mais la passivation peut être minimisé en optimisant plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température , concentration de l'alcali , forme l'aluminium et la composition de la solution.
Les systèmes de production d'hydrogène basés sur la corrosion de l'aluminium n'ont pas besoin d'être chauffés de l'extérieur, puisque la corrosion de l'aluminium est une réaction exothermique. Cette réaction peut être faite par la de légères conditions de température et de pression, en offrant une source stable et compacte d'hydrogène. Cette réduction chimique est spécialement adaptée pour les mobiles télécommandes, ou les applications marines. Un kilo d'aluminium produit environ 4 kWh d'énergie sous la forme d'hydrogène [9] et, pour un objectif de génération d'hydrogène de 100% d'efficacité, il est possible de parvenir à une capacité gravimétrique d'hydrogène de 11,2 wt% H2, qui est une valeur significative à l'accomplissement des objectifs de recherche de la US DOE [10]. Cette capacité gravimétrique d'hydrogène peut être augmentée en utilisant une combinaison de Al et NaBH4 pour produire de l'hydrogène. [11].
Production Thermochimique
Certains procédés thermochimiques peuvent produire de l'hydrogène et l'oxygène à partir d'eau et de chaleur sans utiliser de l'électricité. Étant donné que toutes les entrées d'énergie pour de tels processus est la chaleur, ils peuvent être plus efficace que la haute température de l'électrolyse. La raison en est que l'efficacité de la production d'électricité est intrinsèquement limité. La production Thermochimique d'hydrogène utilisant l'énergie chimique du charbon ou du gaz naturel n'est généralement pas considéré, parce que la voie directe chimique est plus efficace.
Des centaines de cycles thermochimiques ont été pré-sélectionnés. Certains des plus prometteurs comprennent:
- Cycle soufre-iode (S-I)
- chlorure de cérium (Ce-Cl)
- chlorure de fer (Fe-Cl)
- iodure de magnesium (Mg-Cl)
- chlorure ce vanadium (V-Cl)
- Sulfate de cuivre (Cu-SO4)
Il y a aussi des variantes "hybrides" , qui sont des cycles thermochimiques avec un étape électrochimique :
- cycle Hybride soufre
- cycle Cuivre-chlore (Cu-Cl)
Pour tous les procédés thermochimiques, le résumé de réaction est celle de la décomposition de l'eau:
Tous les autres produits chimiques utilisés sont recyclés.
Aucun processus thermochimique de production d'hydrogène n'a été appliqués à un niveaux de production, bien que plusieurs ont été démontrés dans les laboratoires.
Autres méthodes
- Les nanotechnologies la recherche sur la photosynthèse peut conduire à une plus grande efficacité solaire de production d'hydrogène, tels que les cellule photoélectrochimique.
Le radical
- Hydridic Earth theory (en) suggère que de grandes quantités d'hydrogène pourrait exister dans le manteau de la Terre.
Références
- ↑ Bellona -HydrogenReport
- ↑ Https: / / www.hfpeurope.org/infotools/ energyinfos__e/hydrogen/main03.html
- ↑ haut rendement d'hydrogène à partir de deux étapes de la tombée de la nuit-et photo-fermentation de saccharose
- ↑ HZ Wang, D.Y.C. Leung, M.K.H. Leung, M. Ni. Renouveler. Sustain. Rev énergie (2008), doi: 10.1016/j.rser.2008.02.009
- ↑ http://www.lme.co.uk/dataprices_daily_metal.asp
- ↑ D. Belitskus. J. Electrochem. Soc. 117 (1970) 1097-1099
- ↑ L. Soler, J. Macanás, M. Muñoz, J. Casado. Journal of Power Sources 169 (2007) 144-149
- ↑ D. STOCKBURGER, J.H. Stannard, B.M.L. Rao, W. Kobasz et C.D. Tuck, dans les matériaux de stockage de l'hydrogène, piles, et Electrochimie Corrigan A. et S. Srinivasan (éditeurs), Electrochemical Society, Etats-Unis (1991) 431-444
- ↑ SC Amendola, M. Binder, M.T. Kelly, P. J. Petillo, S.L. Sharp-Goldman, en progrès de la Hydrogen Energy. CE Grégorie Padro et F. Lau (éditeurs), Kluwer Academic Publishers: New York, 2002, 69-86
- ↑ http://www.sc.doe.gov/bes/hydrogen.pdf
- ↑ L. Soler, J. Macanás, M. Muñoz et J. Casado (2007). Int J Hydrogen Energy 32: 4702-4710
Voir aussi
- en:Ammonia production
- en:Hydrogen economy
- en:Hydrogen leak testing
- en:Hydrogen storage
- en:Hydrogen station
- en:Hydrogen technologies
- en:The Hype about Hydrogen
- en:Next Generation Nuclear Plant
- Production d'ammoniac
- Économie hydrogène
- Détection de fuite
- Stockage d'hydrogène
- Énergie renouvelable
- Réacteur nucléaire à très haute température
Sources
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Hydrogen production ».
 | Cette définition provient de l'encyclopédie libre Wikipédia publiée sous licence GNU FDL, elle est reprise sur enerzine.com afin de mieux informer ses visiteurs sur la thématique en vigueur. Si vous désirez soumettre une modification ou un complément à cette définition, nous vous invitons à vous rendre sur la page correspondante de Wikipédia. |
