Avenir de l’hydrogène dans l’énergie
Publié : 28 nov. 2022, 11:31
Efficacités du stockage d’électricité par hydrogène et par pile .
Parlons Volt , ce qui est proportionnel à de l’énergie électrique , en multipliant par la charge circulant ( en Coulomb = Ampère* seconde , pour 1 gr de H2 ou 8 gr de lithium c’est 96500 Coulomb , soit 96500* V en joules et pour 1 kg H2
96500000*V joules soit 26.8 * V kWh /kg , 34.5 kWh par kg H2 en énergie théorique pour l’électrolyse , 51.4 kWh par kg H2 en énergie pratique pour l’électrolyse , 13 kWh par kg H2 en énergie pratique sortie pile à combustible et 1,87 kWh /kg H2 de plus pour comprimer l’hydrogène . Donc 53,2 kWh consommé pour remplie un stockage H2 ou charger un véhicule et 13 kWh en sortie de la pile à combustible , 75.6 % de l’énergie perdue .
Le rendement théorique de la dissociation de l’eau liquide dans un électrolyseur est de 100% comme dans toute pile . Ceci correspond à une tension de 1.23 Volt à la pression atmosphérique et 1.29 V pour 30 bar , liée à la variation d’enthalpie libre lors de la dissociation de l’eau liquide pour former des gaz à cette pression .
Le rendement pratique est de 67% ce qui correspond à une tension de 1.92 Volt dont 0.63 V sont perdus et l’énergie correspondante convertie en chaleur .
Ce rendement est médiocre d’autant plus qu’il s’agit de passer de l’énergie la plus noble , convertible à 100% en toutes les autres forme d’énergie en un combustible gazeux analogue au gaz naturel , et très proche du gaz manufacturé de jadis qui contenait plus de 50% d’hydrogène .
Pourquoi un rendement si mauvais alors que dans la plupart des autres piles ( li ion , sodium soufre , cadmium nickel , nickel métal hydrure , accumulateurs au plomb et même nickel hydrogène gazeux , le rendement à la charge entre l’énergie électrochimique produite et l’énergie électrique consommée est de 90% .
Le principal coupable n’est pas l’hydrogène mais son associé dans l’eau et le gaz qui nous permet de vivre , l’oxygène .
Les pertes de tension dans l’électrolyse de l’eau sont en effet ( ce qui correspond à des pertes d’énergie en multipliant par la charge qui circule ) :
La surtension de l’électrode à oxygène = 0,42 V !!
La surtension de l’électrode à hydrogène = 0.05 V
L’effet joules notamment dans l’électrolyte = 0.16 V
Pour li ion à la charge , le rendement est 90% , il faut 3,63 V pour charger une pile de tension 3,3 V .
Mais l’oxygène ou plutôt sa version diluée dans l’azote , l’air , à un effet encore plus néfaste sur le rendement de la pile à combustible . Ce nom vient du fait que le gaz hydrogène est le combustible le plus simple et qu’en cela il est celui qui produit le meilleur rendement dans une pile à combustible gazeux , il existe aussi des piles à méthanol , mais le rendement avec cette molécules plus complexe est encore plus mauvais . L’effet de la surtension de l’électrode à oxygène est encore plus néfaste car au lieu de s’ajouter à la tension théorique la surtension d’électrode à oxygène , se soustrait à celle ci et chacun sait que 1 -0.42/ Vo est inférieur à 1 / ( 1 +0.42 / Vo) .
Le rendement théorique de la combinaison de H2 et oxygène de l’air dans une pile à combustible est de 100% comme pour toutes les piles .
Ceci correspond à une tension de 1.185 V pour H2 / O2 a 1 bar , plus 0.013 V car l’air est comprimé vers 2 bar moins 0.01 V car la concentration d’oxygène est de 20% , soit 1.188 V , plus faible que celle du potentiel à vide d’électrolyse pour 2 raisons , on forme de l’eau vapeur et on perd la condensation de l’eau , on oxyde avec de l’air qui contient 20% d’oxygène et on a un effet de concentration qui fait baisser la tension .
Dans PAC on a les chutes de tensions suivantes =
La surtension de l’électrode à oxygène = 0,42 V
La surtension de l’électrode à hydrogène = 0.05V
L’effet joules notamment dans l’électrolyte = 0.15V
La tension de sortie est ainsi de 0,568 V , mais ce n’est pas tout , une partie de l’énergie de la pile est consommée pour alimenter les moteurs entraînant 2 auxiliaires , une compresseur d’air et un compresseur de circulation d’hydrogène permettant d’évacuer l’eau par condensation puis de recycler l’H2 sec , ces 2 moteurs consomment ce qui correspond à 0.08 V . Le voltage net est 0.488V et le rendement en énergie , 0.488 / 1.188= 41% .
Une pile li ion à la décharge produit 3.00 Volt soit 0.3 V de moins que ce qui coorespond a l ‘énergie emmagasinée .
La même charge circule à une tension de 1.92 V pour faire fonctionner l’electrolyseur et est ressortie a 0.488 V par la PAC , 1.432 Volt de perdu sur 1,92 Volt , hors effet négligeable de la charge qui est plus faible à la décharge qu’à la charge .
Ce n’est pas tout il faut comprimer l’H2 produit par l’électrolyse pour pouvoir le stocker alors que le lithium métal se stocke tout seul dans la cathode de Li ion . Une partie de la compression est faite par l’electrolyseur qui produit des gaz à 30 bar , mais on stocke 700 bar pour les véhicules , la compression de 30 bar a 700 bar par compresseur multi étagé avec réfrigérations intermédiaire consomme 3,5% de ce que consomme l’électrolyseur , ce qui est équivalent à 0.07 V de plus , soit 1.99 Volt .
On fourni le courant à 1.99 V pour produire et comprimer H2 et on retrouve 0,488 V en sortie de PAC net des auxiliaires , le rendement est 0,46/2 = 24.5%
75,6% de l’énergie est perdue lorsque l’on veut stocker puis destocker de l’electricite par H 2 .
Pour la pile c’est 3,63 V pour charger et 3 V pour décharger , soit un rendement de 82% , 18% de l’énergie est perdue entre la charge et la décharge . Le rendement est de 3.5 fois celui du système H2 .
En plus avec 4 appareils , électrolyseur , compresseur , réservoir de stockage et PAC , le système à H2 est plus coûteux en investissement par kWh décharge que l’appareil unique , la pile , qu’il remplace .
Plus coûteux en investissement et consommant 3,34 fois plus d’énergie que la pile , les forces économiques devraient faire disparaître l’utilisation de H2 dans l’énergie , même si les plans européens , en distordant ces forces par des subventions , vont induire des projets antiéconomiques et faire perdre bien plus aux nations que l’argent des plans qui s’ils se réalisent effectivement vont faire perdre à lEurope 2% de PIB , en détournant des ressources vers une voie sans issue .
Il n’a que 2 utilisations ou l’utilisation de l’hydrogène est intéressante , les étages supérieurs des fusées ou la réduction de poids , par utilisation d’hydrogène liquide à la place d’essence permet un allègement donc une augmentation de la charge utile aui compense et au delà la consommation d’énergie et le cout de la production de l’hydrogène liquide pourtant encore 20% plus élevé que celui de l’hydrogène comprimé .
L’hydrogène liquide pourrait aussi être peut être être utilisé dans les jets pour sa forte densité d’énergie , et la on s’affranchirait du mauvais rendement de la pile à combustible puisque l’hydrogène serait utilisé dans le générateur de gaz chaud sous pression avec tuyère pour conversion en vitesse de la pression qu’est un jet . Le jet sans tuyère est également utilisé au sol en amont d’une turbine de détente pour constituer une turbine à gaz dite aéronautique . Le rendement d’un jet , grâce a l’air froid en altitude qui constitue la source froide ce cette machine thermique , est , Carnot oblige , nettement supérieur à celui d’une turbine à gaz au sol et dépasse celui d’une pile à combustible .
Parlons Volt , ce qui est proportionnel à de l’énergie électrique , en multipliant par la charge circulant ( en Coulomb = Ampère* seconde , pour 1 gr de H2 ou 8 gr de lithium c’est 96500 Coulomb , soit 96500* V en joules et pour 1 kg H2
96500000*V joules soit 26.8 * V kWh /kg , 34.5 kWh par kg H2 en énergie théorique pour l’électrolyse , 51.4 kWh par kg H2 en énergie pratique pour l’électrolyse , 13 kWh par kg H2 en énergie pratique sortie pile à combustible et 1,87 kWh /kg H2 de plus pour comprimer l’hydrogène . Donc 53,2 kWh consommé pour remplie un stockage H2 ou charger un véhicule et 13 kWh en sortie de la pile à combustible , 75.6 % de l’énergie perdue .
Le rendement théorique de la dissociation de l’eau liquide dans un électrolyseur est de 100% comme dans toute pile . Ceci correspond à une tension de 1.23 Volt à la pression atmosphérique et 1.29 V pour 30 bar , liée à la variation d’enthalpie libre lors de la dissociation de l’eau liquide pour former des gaz à cette pression .
Le rendement pratique est de 67% ce qui correspond à une tension de 1.92 Volt dont 0.63 V sont perdus et l’énergie correspondante convertie en chaleur .
Ce rendement est médiocre d’autant plus qu’il s’agit de passer de l’énergie la plus noble , convertible à 100% en toutes les autres forme d’énergie en un combustible gazeux analogue au gaz naturel , et très proche du gaz manufacturé de jadis qui contenait plus de 50% d’hydrogène .
Pourquoi un rendement si mauvais alors que dans la plupart des autres piles ( li ion , sodium soufre , cadmium nickel , nickel métal hydrure , accumulateurs au plomb et même nickel hydrogène gazeux , le rendement à la charge entre l’énergie électrochimique produite et l’énergie électrique consommée est de 90% .
Le principal coupable n’est pas l’hydrogène mais son associé dans l’eau et le gaz qui nous permet de vivre , l’oxygène .
Les pertes de tension dans l’électrolyse de l’eau sont en effet ( ce qui correspond à des pertes d’énergie en multipliant par la charge qui circule ) :
La surtension de l’électrode à oxygène = 0,42 V !!
La surtension de l’électrode à hydrogène = 0.05 V
L’effet joules notamment dans l’électrolyte = 0.16 V
Pour li ion à la charge , le rendement est 90% , il faut 3,63 V pour charger une pile de tension 3,3 V .
Mais l’oxygène ou plutôt sa version diluée dans l’azote , l’air , à un effet encore plus néfaste sur le rendement de la pile à combustible . Ce nom vient du fait que le gaz hydrogène est le combustible le plus simple et qu’en cela il est celui qui produit le meilleur rendement dans une pile à combustible gazeux , il existe aussi des piles à méthanol , mais le rendement avec cette molécules plus complexe est encore plus mauvais . L’effet de la surtension de l’électrode à oxygène est encore plus néfaste car au lieu de s’ajouter à la tension théorique la surtension d’électrode à oxygène , se soustrait à celle ci et chacun sait que 1 -0.42/ Vo est inférieur à 1 / ( 1 +0.42 / Vo) .
Le rendement théorique de la combinaison de H2 et oxygène de l’air dans une pile à combustible est de 100% comme pour toutes les piles .
Ceci correspond à une tension de 1.185 V pour H2 / O2 a 1 bar , plus 0.013 V car l’air est comprimé vers 2 bar moins 0.01 V car la concentration d’oxygène est de 20% , soit 1.188 V , plus faible que celle du potentiel à vide d’électrolyse pour 2 raisons , on forme de l’eau vapeur et on perd la condensation de l’eau , on oxyde avec de l’air qui contient 20% d’oxygène et on a un effet de concentration qui fait baisser la tension .
Dans PAC on a les chutes de tensions suivantes =
La surtension de l’électrode à oxygène = 0,42 V
La surtension de l’électrode à hydrogène = 0.05V
L’effet joules notamment dans l’électrolyte = 0.15V
La tension de sortie est ainsi de 0,568 V , mais ce n’est pas tout , une partie de l’énergie de la pile est consommée pour alimenter les moteurs entraînant 2 auxiliaires , une compresseur d’air et un compresseur de circulation d’hydrogène permettant d’évacuer l’eau par condensation puis de recycler l’H2 sec , ces 2 moteurs consomment ce qui correspond à 0.08 V . Le voltage net est 0.488V et le rendement en énergie , 0.488 / 1.188= 41% .
Une pile li ion à la décharge produit 3.00 Volt soit 0.3 V de moins que ce qui coorespond a l ‘énergie emmagasinée .
La même charge circule à une tension de 1.92 V pour faire fonctionner l’electrolyseur et est ressortie a 0.488 V par la PAC , 1.432 Volt de perdu sur 1,92 Volt , hors effet négligeable de la charge qui est plus faible à la décharge qu’à la charge .
Ce n’est pas tout il faut comprimer l’H2 produit par l’électrolyse pour pouvoir le stocker alors que le lithium métal se stocke tout seul dans la cathode de Li ion . Une partie de la compression est faite par l’electrolyseur qui produit des gaz à 30 bar , mais on stocke 700 bar pour les véhicules , la compression de 30 bar a 700 bar par compresseur multi étagé avec réfrigérations intermédiaire consomme 3,5% de ce que consomme l’électrolyseur , ce qui est équivalent à 0.07 V de plus , soit 1.99 Volt .
On fourni le courant à 1.99 V pour produire et comprimer H2 et on retrouve 0,488 V en sortie de PAC net des auxiliaires , le rendement est 0,46/2 = 24.5%
75,6% de l’énergie est perdue lorsque l’on veut stocker puis destocker de l’electricite par H 2 .
Pour la pile c’est 3,63 V pour charger et 3 V pour décharger , soit un rendement de 82% , 18% de l’énergie est perdue entre la charge et la décharge . Le rendement est de 3.5 fois celui du système H2 .
En plus avec 4 appareils , électrolyseur , compresseur , réservoir de stockage et PAC , le système à H2 est plus coûteux en investissement par kWh décharge que l’appareil unique , la pile , qu’il remplace .
Plus coûteux en investissement et consommant 3,34 fois plus d’énergie que la pile , les forces économiques devraient faire disparaître l’utilisation de H2 dans l’énergie , même si les plans européens , en distordant ces forces par des subventions , vont induire des projets antiéconomiques et faire perdre bien plus aux nations que l’argent des plans qui s’ils se réalisent effectivement vont faire perdre à lEurope 2% de PIB , en détournant des ressources vers une voie sans issue .
Il n’a que 2 utilisations ou l’utilisation de l’hydrogène est intéressante , les étages supérieurs des fusées ou la réduction de poids , par utilisation d’hydrogène liquide à la place d’essence permet un allègement donc une augmentation de la charge utile aui compense et au delà la consommation d’énergie et le cout de la production de l’hydrogène liquide pourtant encore 20% plus élevé que celui de l’hydrogène comprimé .
L’hydrogène liquide pourrait aussi être peut être être utilisé dans les jets pour sa forte densité d’énergie , et la on s’affranchirait du mauvais rendement de la pile à combustible puisque l’hydrogène serait utilisé dans le générateur de gaz chaud sous pression avec tuyère pour conversion en vitesse de la pression qu’est un jet . Le jet sans tuyère est également utilisé au sol en amont d’une turbine de détente pour constituer une turbine à gaz dite aéronautique . Le rendement d’un jet , grâce a l’air froid en altitude qui constitue la source froide ce cette machine thermique , est , Carnot oblige , nettement supérieur à celui d’une turbine à gaz au sol et dépasse celui d’une pile à combustible .
