Électrolyse à haute température
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L'électrolyse à haute température (ou HTE d'après l'acronyme anglais de High-temperature electrolysis ou électrolyse en phase vapeur) est une méthode actuellement étudiée pour la production d'hydrogène à partir de l'eau avec l'oxygène comme produit secondaire.
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[modifier] Présentation générale
[modifier] Généralités
L'électrolyse sous haute température est plus efficace que l'électrolyse de l'eau à température ambiante, parce qu'une partie de l'énergie nécessaire à la réaction est apportée par la chaleur (moins chère que l'électricité) et que l'activation de la réaction (meilleur rendement) est plus efficace à hautes températures. En fait, à 2500°C (soit 2773 K), le courant électrique n'est plus nécessaire en raison d'une réaction de thermolyse qui décompose l'eau en hydrogène et oxygène. Cependant, de telles températures ne sont pas pratiques : les systèmes HTE fonctionnent généralement entre 100 et 850°C.
[modifier] Considérations sur le rendement
L'amélioration du rendement par électrolyse à haute température peut être mieux apréhendée en supposant l'électricité utilisée produite par une machine thermique, et en considérant ensuite la quantité d'énergie thermique nécessaire pour produire 1 kg d'hydrogène (145 mégajoules), à la fois dans le procédé HTE en tant que tel et aussi dans la production de l'électricité nécessaire. A 100°C (373 K), 350.106 J sont nécessaires (soit un rendement de 41 %). A 850 °C (1223 K), 225.106 sont nécessaires (64 % de rendement).
La HTE ne procure pas de moyen de contourner l'inefficacité inhérente à une machine thermique en produisant de l'hydrogène qui est par la suite re-"transformé" en électricité dans la pile à combustible : une telle amélioration rendrait d'ailleurs théoriquement possible la création d'une machine à mouvement perpétuel, ce qui est impossible. Ainsi, l'avantage économique pouvant être constitué en utilisant la HTE devra venir des procédés utilisant l'hydrogène comme matière première et non comme source d'énergie (comme la pétrochimie et l'industrie des engrais), ou pour les procédés de propulsion pour lesquels l'hydrogène est un meilleur apport que l'électricité (les fusées par exemple, les automobiles n'étaient pas - encore - concernées).
[modifier] Applications
[modifier] Comparaisons avec d'autres procédés
L'électrolyse à haute température ne peut rivaliser avec la conversion chimique des hydrocarbones ou de l'énergie du charbon en hydrogène, puisqu'aucune de ces conversions n'est limitée par le rendement d'une machine thermique. Ainsi, les sources possibles d'énergie thermique pour la HTE sont toutes non-chimiques, incluant les réacteurs nucléaires, les collecteurs d'énergie solaire et les sources géothermiques.
Si l'on dispose d'une source de chaleur à haute température peu chère, d'autres méthodes de production sont possibles. En particulier, on pourra se référer au cycle thermodynamique soufre-iode. Une production thermochimique pourrait atteindre des rendements plus intéressants que la HTE, aucune machine thermique n'étant requise. Cependant, une production thermochimique à grande échelle nécessitera des avancées significatives dans des matériaux pouvant supporter des hautes pressions, des hautes températures, des milieux hautement corrosives, etc.
[modifier] Économie de l'hydrogène (remarque)
Le marché de l'hydrogène est important (50 millions de tonnes par an en 2004, soit environ 135 milliards de dollars par an) et grandit d'environ 10% par an (voir économie de l'hydrogène). Les deux consommateurs majeurs sont actuellement les raffineries pétrolières et les usines d'engrais (chacun consommant près de la moitié de la production totale). Lorsque les automobiles à propulsion basée sur l'hydrogène se répandront, leur consommation augmentera énormément la demande d'hydrogène.
[modifier] Sur le procédé
Durant l'électrolyse, la quantité d'énergie électrique à apporter doit être égale à la variation de l'énergie libre de Gibbs de la réaction additionnée des pertes du système. Les pertes peuvent (théoriquement) être arbitrairement proche de zéro, et ainsi le rendement thermodynamique du procédé proche de 100%. En pratique, le rendement est donné par le travail électrique total divisé par la variation d'énergie libre de Gibbs lors de la réaction.
Dans la majorité des cas, comme dans l'électrolyse de l'eau à température ambiante, l'apport électrique est plus important que la variation d'enthalpie de la réaction, et donc de l'énergie est gaspillée en chaleur perdue. Dans d'autres cas cependant, comme l'électrolyse de la vapeur en hydrogène et oxygène à haute température, l'opposé est vrai. La chaleur est absorbée depuis l'environnement, et la quantité de chaleur équivalente à l'hydrogène produit est plus importante que l'énergie électrique fournie. Dans ce cas, on peut dire que le rendement énergétique est supérieur à 100 %. Il est intéressant de noter que le rendement théorique maximal d'une pile à combustible est inverse de celui de l'électrolyse. Il est cependant impossible de créer un mouvement perpétuel par combinaison des deux procédés.
[modifier] Référence
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « High-temperature electrolysis ».
