Dihydrogène

Production du dihydrogène

Production d'hydrogène par vaporeformage

L'hydrogène est produit industriellement par deux procédés :

par vaporeformage à partir d'hydrocarbures (en particulier à partir de méthane)

par électrolyse de l'eau

Vaporeformage d'hydrocarbures

C'est le procédé qui aujourd'hui est le plus utilisé au niveau industriel. Son principe est basé sur la dissociation de molécules carbonées (méthane, monoxyde de carbone) en présence de vapeur d'eau et de chaleur.

Cette technologie est la plus couramment utilisée. On obtient un rendement énergétique de l'ordre de 40 à 45% dans certaines installations. Elle a le gros inconvénient de produire du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.

Électrolyse de l'eau

Cette technologie consiste à faire passer un courant électrique dans l'eau afin d'obtenir la dissociation des molécules d'eau en dihydrogène et dioxygène.

Réaction à l'anode :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)& \overrightarrow{\qquad} & O_2 (g) + 4H^+(aq) + 4e^-\   \\\end{matrix}

Réaction à la cathode :

\begin{matrix} & \\ 4H_2O (l) + 4e^-\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + 4OH^-(aq) \   \\\end{matrix}

Globalement, nous avons :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + O_2(g) \   \\\end{matrix}

Cette technologie nécessite de grandes quantités d'électricité. Elle est aussi aujourd'hui moins efficace d'un point de vue énergétique : l'énergie potentielle du dihydrogène produit ne correspond qu'à environ 20% de l'énergie électrique consommée. Elle est relativement peu utilisée.

Action de l'acide chlorhydrique sur le fer

Au laboratoire de Chimie (collège ou lycée), on produit parfois du dihydrogène par action de l'acide chlorhydrique sur du fer.

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + 2 Cl^{-} (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & 2 Cl^{-} (aq) + Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

ou, formule simplifiée :

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

Hydrogène renouvelable

Afin d'être une énergie vraiment avantageuse en terme d'environnement, l'hydrogène doit notamment pouvoir être produit à partir d'énergie renouvelable.

Il est possible de réaliser l'electrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable mais le rendement faible de cette étape diminue la quantité d'énergie globale disponible.

Une autre voie de production d'hydrogène renouvelable se fait par fermentation de biomasse: on peut alors parler de biohydrogène. Certains travaux de recherche se font sur la fermentation directe d'hydrogène à partir de substrats et microorganismes spécifiques. Une autre voie est la fermentation anaérobie, voie de dégradation de matière organique (déchets notamment) très courante, la production de biogaz et le reformage du méthane contenu dans le biogaz, en hydrogène comme présenté plus haut dans la partie vaporeformage.

Test de reconnaissance du dihydrogène

Afin de tester sa présence, on approche une bûchette enflammée d'un tube à essai contenant du dihydrogène. Il se produit un bruit caractéristique appelé « jappement ».

Stockage

Gaz comprimé

C'est la forme la plus commune de stockage du dihydrogène. Le gaz est stocké à des pressions de 200 à 700 bar.

La technologie existe et est couramment utilisée. Son inconvénient réside dans l'énergie nécessaire à la compression et dans la faible efficacité en terme d'encombrement en comparaison aux autres méthodes. Cet encombrement est une des difficultés pour l'utilisation du dihydrogène sous forme de gaz comprimé dans les applications automobiles.

Gaz liquéfié

Le dihydrogène est liquéfié à une température de -253°C sous pression atmosphérique.

La technologie est existante. Contrairement au gaz comprimé, elle a une meilleure efficacité en ce qui concerne l'encombrement (70 kg.m^-3 contre 10 kg.m^-3 à 115 bar et 0 °C). Cependant, cet avantage est modéré par le volume relativement important des enceintes isolantes nécessaire pour éviter l'évaporation. D'autre part, il faut une énergie importante pour passer en phase liquide. La liquéfaction consomme 30 à 40% du contenu énergétique du gaz. Elle a un coût relativement élevé.

Hydrures métalliques

Les atomes d'hydrogène sont stockés dans certains composés métalliques. On récupère le dihydrogène en chauffant ou en diminuant la pression. Cette technique est aujourd'hui mal maîtrisée. Elle a l'inconvénient de demander un dihydrogène extrêmement pur afin d'éviter de détruire la capacité d'absorption des hydrures. Le chauffage pour récupérer le gaz est également un handicap. Ce type de stockage en est au stade de recherche et n'est pas disponible aujourd'hui sur une base industrielle.

Capacité de stockage de certains hydrures.

Hydrure Pourcentage de dihydrogène
contenu (en masse)
LaNi₅H_6,5 1,4 %
ZnMn₂H_3,6 1,8 %
TiFeH₂ 1,9 %
Mg₂NiH₄ 3,6 %
VH₂ 3,8 %
MgH₂ 7,6 %

Stockage par adsorption sur du Carbone

Cette technique permet de stocker en surface de certaines structures de carbone telle que du charbon actif ou des nanotubes les molécules de dihydrogène. Elle permet de stocker 0.05 à 2 % en masse de dihydrogène.

Ce type de stockage est au stade de recherche.

Propriétés chimiques

Combustion

La combustion du dihydrogène dans le dioxygène, qui produit de l'eau, est particulièrement violente (voir test de reconnaissance) et très exothermique: son pouvoir calorifique est de 141,79 MJ/Kg contre, par exemple, seulement 49,51 MJ/Kg pour le butane. Cette propriété en fait un carburant de choix pour les engins spatiaux mais rend son stockage dangereux. La même oxydation plus lente est utilisée pour produire du courant électrique dans les piles à combustible.

Ion

L'ion hydrogène, ion oxonium ou simplement proton H également appelé ion hydronium et noté HO, quand il est dans l'eau, est caractéristique du degré d'acidité des solutions aqueuses, dans les conditons normales l'eau pure en contient à la concentration de 10mol/L (le pH de l'eau est 7), les acides en ont une concentration plus forte (pH <7 ) et les bases une plus faible (pH > 7).

Sécurité

Référence ONU pour le transport de matières dangereuses

Nom (français) : Hydrogène comprimé
Classe : 2
numéro : 1049
Nom (français) : Hydrogène liquide réfrigéré
Classe : 2
numéro : 1966
Nom (français) : Hydrogène dans un dispositif de stockage à hydrure métallique
Classe : 2
numéro : 3468

Voir aussi

Histoire

Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogène est le suisse Paracelse (1493-1541). Il fait cette découverte en versant du vitriol sur de la poudre de fer, mais ne comprend pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.

Le chimiste anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expériences de Paracelse avec plusieurs métaux différents, découvre que le gaz ainsi produit est différent de l'air, est inflammable et à une faible densité. Il appelle ce gaz « air inflammable » (en anglais : flammable air) et s'aperçoit que sa combustion produit de l'eau. Le dioxygène étant lui nommé « air vital ».

Le chimiste français Antoine Lavoisier ayant confirmé les expériences de Cavendish, propose le mot « hydrogène » pour remplacer l'expression « air inflammable ». Ce mot est formé avec le préfixe hydro (du grec ὕδωρ (hudôr), « eau ») et du suffixe gène (du grec γεννᾰν (gennen), « engendrer »).

Par la suite, dans le domaine scientifique, le mot « hydrogène » sera utilisé pour nommer l'élément chimique et le mot « dihydrogène » sera utilisé pour la molécule.

Anecdote

Le monoxyde de dihydrogène est bien entendu le corps composé nommé eau : H₂O.