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L'hydrogène gazeux est-il présent dans le biogaz et s'enflamme-t-il spontanément ?

L'hydrogène gazeux est-il présent dans le biogaz et s'enflamme-t-il spontanément ?


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L'hydrogène gazeux est-il présent dans le biogaz ? Comme il est hautement inflammable, peut-il enflammer d'autres gaz comme le méthane ?


La constitution du biogaz dépend fortement de sa source et du microbe fermentant. Mais en général, il contient de l'hydrogène environ 0-1%. Même s'il contenait de grandes quantités, le mélange serait inflammable, mais il ne s'enflammerait pas sans allumeur externe, ce qui pourrait être une petite fluctuation de chaleur si le mélange est trop instable. Mais en général, un gaz inflammable ne se met pas à brûler tout seul.


La température d'auto-inflammation d'un mélange combustible d'hydrogène dans l'air est de 500 degrés C - Wikipédia. Il ne s'enflammera pas spontanément, une partie doit d'abord atteindre cette température à travers une étincelle, une flamme ou une autre source de chaleur. Une fois qu'il s'enflamme, le méthane brûlera bien sûr aussi.


Biogaz : présentation

Le biogaz est principalement composé de méthane (environ 60%) avec du dioxyde de carbone (environ 40%) et un peu d'hydrogène et d'hydrogène sulfuré. Il est fabriqué par des bactéries anaérobies décomposant la matière organique en l'absence d'oxygène (lorsque la matière organique est gorgée d'eau - c'est-à-dire une suspension). Le processus se produit également dans les sites d'enfouissement et dans le système digestif des humains et d'autres animaux (oui, les pets sont du biogaz).

Le biogaz est généré naturellement dans la boue au fond des marais - c'est ce qu'on appelle le gaz des marais, et peut provoquer de petites flammes au-dessus de l'eau, en raison de l'inflammation spontanée des gaz produits par les bactéries et l'allumage du méthane.

Petit digesteur expérimental de biogaz. Les déchets sont placés dans le baril de pétrole le couvercle en néoprène se lève lorsqu'il est plein de gaz le gaz est versé dans un récipient (fût en plastique à l'envers avec joint hydraulique) qui se lève à mesure que le gaz pénètre. Lorsqu'il est plein, le gaz peut être prélevé et utilisé via un petit anneau de gaz.

Mais nous pouvons le fabriquer nous-mêmes à partir de déchets végétaux et animaux, et même les déchets humains sont meilleurs que les brindilles/matières ligneuses. Le biogaz peut être brûlé pour alimenter un générateur, ou à plus petite échelle, pour cuisiner ou allumer des lampes à gaz. En outre, des moteurs à biogaz ont été développés pour le transport.

L'équipement dans lequel la matière organique se décompose de manière anaérobie s'appelle un digesteur, et il existe également une sorte de conteneur de stockage pour le gaz produit. Le biogaz brut peut être « lavé » en le passant dans de la chaux éteinte, qui élimine la majeure partie du CO 2 et augmente son pouvoir calorifique.

Expérience de mini-biogaz, fonctionnant exactement sur le même principe que le digesteur ci-dessus.

Les deux principaux types de digesteurs sont le continu et le batch. Les digesteurs continus ont un débit constant de matière, et les digesteurs discontinus extraient le gaz d'un lot de matière contenu, qui est ensuite vidé et un nouveau lot ajouté.

Les digesteurs de biogaz sont déjà largement utilisés dans les pays en développement, notamment en Inde et en Chine, car le bois de chauffage pour cuisiner se raréfie. Il existe des millions de petites plantes familiales en Inde et en Chine. En Occident, les digesteurs ont tendance à être à plus grande échelle, prenant des lisiers d'animaux et des eaux usées humaines. Mais ils peuvent également être à l'échelle nationale, pour les personnes qui cherchent à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles.

Petit digesteur de biogaz, fonctionnant avec du fumier animal et des déchets de cuisine, qui produit du gaz pour la cuisine et du compost de ruissellement pour le jardin, et utilise une chambre à air de voiture pour stocker le gaz !

Quels sont les avantages du biogaz ?

Réduit les émissions de CO 2

Parce qu'il remplace le gaz naturel. Étant donné que le CO 2 du biogaz provient de matières végétales récemment vivantes (même s'il a été donné à des animaux), il fait partie d'un cycle - c'est-à-dire que le CO 2 émis par la combustion du biogaz est absorbé par les plantes qui fourniront le futur biogaz, et donc au.

Réduit les émissions de méthane

L'agriculture animale est responsable d'environ 40 % du méthane rejeté dans l'atmosphère par l'activité humaine. Lorsque le méthane est brûlé, il libère du CO 2 , mais le méthane est environ 30 fois plus puissant comme gaz à effet de serre que le CO 2 , c'est donc une bonne idée de le brûler plutôt que de le libérer. Cependant, il est préférable de séparer les déchets organiques et de les mettre dans un digesteur anaérobie au lieu de collecter le méthane des sites d'enfouissement et cela permettrait d'économiser plus d'énergie si tous les déchets organiques, y compris le papier, étaient recyclés au lieu d'être mis en décharge - de plus, cela empêcherait le lessivage. de contaminants dans les eaux souterraines et le sol.

Coupe transversale simplifiée d'un type de digesteur utilisé pour les déchets animaux et humains dans toute la Chine et l'Extrême-Orient. Une toilette peut être intégrée à ce système. Image : Tkarcher, CC BY-SA

Réduit l'utilisation des ressources

Le biogaz n'a pas besoin de millions de kilomètres de canalisations pour le livrer, et n'a pas besoin d'être liquéfié et expédié à travers le monde, avec toutes les ressources et l'énergie que ces choses impliquent. De plus, il sauve des arbres (pour le bois de chauffage). Le gaz naturel est limité, il ne durera donc pas éternellement - et il y aura probablement des guerres pour lui à mesure qu'il s'épuise.

Digesteur légèrement plus grand, rempli de fumier animal collecté dans les petites exploitations locales, avec un filtre en laine d'acier pour éliminer le sulfure d'hydrogène, et des réservoirs de stockage de gaz avec un joint hydraulique plus une démonstration de cuisson au gaz.

Crée deux ressources renouvelables

Les boues d'épuration et les lisiers d'animaux finissent généralement comme engrais de toute façon, il est donc préférable d'en tirer d'abord du carburant et d'éviter le ruissellement et les émissions de méthane en même temps - et vous obtenez toujours de l'engrais à la fin du processus. C'est le chaînon manquant pour ceux qui veulent passer des combustibles fossiles - beaucoup de gens chauffent leur maison au bois et leur eau au solaire, et tirent leur électricité du vent et du solaire - mais la cuisine est un problème car elle coûte trop cher avec l'électricité, et les agas sont chers, prennent beaucoup de temps à s'allumer et rendront votre espace trop chaud en été. Le gaz est le meilleur pour la cuisine, mais avec le biogaz, cela peut être fait sans factures de gaz.

NB : comme pour les autres biocarburants, nous pensons que la matière première (matières premières) doit être des déchets. Nous ne pensons pas que ce soit une bonne idée de réserver de grandes superficies de terres pour la culture de carburants alors qu'une grande partie du monde n'a pas assez de nourriture (bien que les déchets provenant des cultures vivrières soient acceptables). Voir Biofuel Watch. De plus, les digesteurs à grande échelle doivent être alimentés par de grandes opérations telles que des fermes industrielles ou des stations d'épuration. Celles-ci entraînent leurs propres problèmes, tels que les hormones, la cruauté envers les animaux, les transports et les produits chimiques énergivores. Nous pensons que la meilleure solution est généralement la plus petite échelle possible - dans ce cas, l'échelle agricole ou domestique.

Ajout de déchets alimentaires dans un petit digesteur.

Que puis-je faire?

Mise en place

Les digesteurs discontinus basés sur une sorte de fût/conteneur sont réalisables à l'échelle domestique. Les digesteurs continus sont populaires en Asie - une fosse d'entrée et de sortie avec un conteneur de gaz en béton ou en acier. Vous pouvez créer le vôtre – lisez un livre, consultez notre page de liens ou assistez à un cours.

Comment construire un digesteur de biogaz domestique / agricole.

Dimensionnement

En Inde, pour une famille de 8 personnes avec quelques animaux (disons 8 à 10 vaches), un digesteur de 10 m est recommandé, avec un stockage de gaz de 2 m³. Mais un petit digesteur familial typique mesurera environ un mètre cube. Pour la cuisine et l'éclairage, vous n'avez pas besoin de grand-chose. Chaque kg de matériau biodégradable produira environ 0,4 m³ (400 l) de gaz, et les lampes à gaz nécessitent environ 100 l par heure. 2 foyers à gaz pendant quelques heures par jour utiliseront entre 1 et 2 m³, donc si vous avez du bétail, ainsi que des déchets de cuisine et humains, vous pouvez le faire facilement. Lorsqu'il s'agit de conduire n'importe quel type de moteur (par exemple, un générateur ou une pompe), c'est une autre affaire et bien au-delà de l'échelle domestique. La durée pendant laquelle vous laissez la matière dans un digesteur discontinu dépend de la température (2 semaines à 50°C jusqu'à 2 mois à 15°C). La moyenne est d'environ 1 mois, alors évaluez la quantité de matière que vous ajouterez chaque jour et multipliez-la par 30 pour calculer la taille du digesteur.

Digesteur de biogaz dans une ferme familiale en Inde, il n'y a aucune raison qu'ils ne puissent pas être utilisés avec succès en Occident aussi.

Ce que nous ne soutenons pas, c'est la construction de gigantesques digesteurs pour prendre d'énormes quantités de maïs, cultivé spécialement pour nourrir les digesteurs. Voir ici et ici pour en savoir plus à ce sujet. Cela ne veut pas dire que le biogaz est une mauvaise idée, c'est juste un problème « petit est beau », mieux utilisé pour récupérer les déchets afin de produire de l'énergie et du compost à l'échelle de la ferme. C'est l'échelle qui est le problème, pas la technologie. Du deuxième de ces deux articles :

« Le premier problème et le plus évident est que cela signifie retirer des terres de la production alimentaire. Une usine de biogaz d'une capacité d'un mégawatt nécessite 20 000 à 25 000 tonnes [de maïs] par an, ce qui représente 450 à 500 hectares de terres’. Considérez, lorsque vous lisez cela, que la capacité moyenne d'une éolienne offshore est de quatre mégawatts. Quatre cent cinquante hectares de terrain ou un pilier en béton dans le fond marin – peut-on douter de la meilleure option ?”

Faire bouillir de l'eau avec du biogaz.

Utilisation

L'entrée de déchets doit être une boue - ajoutez donc de l'eau si elle est trop solide. Essayez de maintenir la température aussi élevée que possible, cela génère un peu de chaleur, mais dans les pays plus froids, le digesteur aura besoin d'une isolation et même d'un peu de chaleur supplémentaire en hiver (qui pourrait être fournie par une partie du biogaz). Une serre est un bon endroit pour cela.

Sécurité

Le méthane est explosif - consultez le site Web de l'Université d'Adélaïde pour les considérations de sécurité.

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Biohydrogène

23.2.1 Biohydrogène par gazéification

Outre la production de biohydrogène à partir de biogaz, il peut également être produit par gazéification de biomasse, similaire à la production de bio-SNG. Une méthode de gazéification doit être utilisée qui produit un gaz avec une teneur en hydrogène plus élevée. Sinon, un reformage à la vapeur supplémentaire est nécessaire pour convertir le méthane en hydrogène. La conversion eau-gaz est utilisée pour augmenter le rendement en hydrogène. Ensuite, le CO restant 2 est éliminé par adsorption modulée en pression ou séparation par membrane céramique, ce qui laisse du biohydrogène, qui doit être utilisé comme carburant automobile. Pour l'utiliser de cette manière, il doit être comprimé ou liquéfié ou stocké dans des hydrures métalliques. L'hydrogène peut être utilisé dans les moteurs à combustion interne ou les piles à combustible. Étant donné que les véhicules à pile à combustible ne sont pas encore disponibles dans le commerce et qu'une infrastructure de distribution d'hydrogène ne peut pas être réalisée à court terme, le biohydrogène est considéré comme une option à plus long terme pour le secteur des transports. Les principaux défis pour le développement ultérieur du biohydrogène sont similaires à ceux des autres biocarburants dérivés de la gazéification (à l'exception du SNG).

La gazéification supercritique, une option pour la production de SNG, est également une technologie utile pour la production de biohydrogène. Cependant, dans ce cas, le reformage à la vapeur est nécessaire pour convertir le méthane formé en hydrogène, ce qui rend le procédé plus coûteux. Une autre option pour produire de l'hydrogène à partir de biomasse humide, qui est également encore à l'échelle du laboratoire, est une technologie appelée fermentation sombre et photo. L'hydrogène peut être produit directement par méthanisation (biogaz). La fermentation à l'obscurité est un processus similaire, cependant, il est manipulé de manière à ce que l'hydrogène du produit final souhaité soit produit directement sans formation de méthane, alors que l'hydrogène est normalement un produit intermédiaire dans la digestion anaérobie. Au cours de la fermentation à l'obscurité, en plus de l'hydrogène, des acides organiques sont produits, qui peuvent être convertis en hydrogène par un processus appelé photofermentation.


L'hydrogène gazeux est-il présent dans le biogaz et s'enflamme-t-il spontanément ? - La biologie

La fermentation du méthane est une biotechnologie polyvalente capable de convertir presque tous les types de matériaux polymères en méthane et en dioxyde de carbone dans des conditions anaérobies. Ceci est obtenu grâce à la décomposition biochimique consécutive des polymères en méthane et en dioxyde de carbone dans un environnement dans lequel une variété de micro-organismes comprenant des microbes fermentes (méthanogènes) se développent harmonieusement et produisent des produits finis réduits. Les anaérobies jouent un rôle important dans l'établissement d'un environnement stable à divers stades de la fermentation du méthane.

La fermentation méthanique offre un moyen efficace de réduction de la pollution, supérieur à celui obtenu par les procédés aérobies classiques. Bien que pratiquée depuis des décennies, l'intérêt pour la fermentation anaérobie ne s'est que récemment porté sur son utilisation dans la récupération économique du gaz combustible à partir des excédents industriels et agricoles.

La biochimie et la microbiologie de la décomposition anaérobie des matériaux polymères en méthane et les rôles des divers micro-organismes impliqués sont discutés ici. Les progrès récents de la biologie moléculaire des méthanogènes sont passés en revue, de nouveaux digesteurs sont décrits et des améliorations dans le fonctionnement de divers types de bioréacteurs sont également discutées.

La fermentation du méthane est la conséquence d'une série d'interactions métaboliques entre divers groupes de micro-organismes. Une description des micro-organismes impliqués dans la fermentation du méthane, basée sur une analyse de bactéries isolées de digesteurs de boues d'épuration et du rumen de certains animaux, est résumée à la figure 4-1. Le premier groupe de micro-organismes sécrète des enzymes qui hydrolysent les matériaux polymères en monomères tels que le glucose et les acides aminés, qui sont ensuite convertis en acides gras plus volatils, H 2 et acide acétique (Fig. 4-1 étape 1). Dans la deuxième étape, les bactéries acétogènes productrices d'hydrogène convertissent les acides gras plus volatils, par exemple les acides propionique et butyrique, produits, en H2, CO2 et acide acétique. Enfin, le troisième groupe, les bactéries méthanogènes convertissent H 2 , CO 2 et acétate en CH 4 et CO 2 .

Les matières polymères telles que les lipides, les protéines et les glucides sont principalement hydrolysées par des hydrolases extracellulaires, excrétées par les microbes présents au stade 1 (Fig. 4-1). Les enzymes hydrolytiques (lipases, protéases, cellulases, amylases, etc.) hydrolysent leurs polymères respectifs en molécules plus petites, principalement des unités monomériques, qui sont ensuite consommées par les microbes. Dans la fermentation méthane des eaux usées contenant des concentrations élevées de polymères organiques, l'activité hydrolytique de chaque polymère est d'une importance primordiale, en ce sens que l'hydrolyse du polymère peut devenir une étape limitante pour la production de substrats bactériens plus simples à utiliser dans les étapes de dégradation ultérieures .

Les lipases convertissent les lipides en acides gras à longue chaîne. Une densité de population de 10 4 - 10 5 bactéries lipolytiques par ml de liquide de digestion a été rapportée. Les clostridies et les microcoques semblent être responsables de la plupart des producteurs de lipase extracellulaire. Les acides gras à longue chaîne produits sont encore dégradés par p-oxydation pour produire de l'acétyl CoA.

Les protéines sont généralement hydrolysées en acides aminés par des protéases, sécrétées par Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas et Streptococcus. Les acides aminés produits sont ensuite dégradés en acides gras tels que l'acétate, le propionate et le butyrate, et en ammoniac comme on en trouve dans Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter et Bacteroides.

Les polysaccharides tels que la cellulose, l'amidon et la pectine sont hydrolysés par des cellulases, des amylases et des pectinases. La majorité des cellulases microbiennes sont composées de trois espèces : (a) les endo-(3-1,4-glucanases (b) les exo-pl,4-glucanases (c) la cellobiase ou p-glucosidase.Ces trois enzymes agissent en synergie sur la cellulose hydrolysant efficacement sa structure cristalline, pour produire du glucose. L'hydrolyse microbienne de l'amidon brut en glucose nécessite une activité amylolytique, qui se compose de 5 espèces d'amylase : les liaisons ±l-4 (c) les amyloglucosidases qui exoclivent une liaison ±l-4 et une liaison ±l-6 (d) les enzymes débranchantes qui agissent sur les liaisons ±l-6 (e) la maltase qui agit sur le maltose en libérant du glucose.Les pectines sont dégradées par les pectinases, y compris les pectinestérases et les dépolymérases.Les xylanes sont dégradés avec une ²-endo-xylanase et une ²-xylosidase pour produire du xylose.

Les hexoses et les pentoses sont généralement convertis en intermédiaires C2 et C3 et en porteurs d'électrons réduits (par exemple, NADH) via des voies communes. La plupart des bactéries anaérobies subissent le métabolisme de l'hexose via la voie Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) qui produit du pyruvate comme intermédiaire avec le NADH. Le pyruvate et le NADH ainsi générés sont transformés en produits endo de fermentation tels que le lactate, le propionate, l'acétate et l'éthanol par d'autres activités enzymatiques qui varient énormément avec les espèces microbiennes.

Ainsi, lors de l'hydrolyse et de l'acidogenèse (Fig. 4-1 Étape 1), les sucres, les acides aminés et les acides gras produits par la dégradation microbienne des biopolymères sont successivement métabolisés par des endoproduits de fermentation tels que le lactate, le propionate, l'acétate et l'éthanol par d'autres activités enzymatiques qui varient énormément avec les espèces microbiennes.

Ainsi, lors de l'hydrolyse et de l'acidogenèse (Fig. 4-1 Étape 1), les sucres, les acides aminés et les acides gras produits par la dégradation microbienne des biopolymères sont successivement métabolisés par des groupes de bactéries et sont principalement fermentés en acétate, propionate, butyrate, lactate, éthanol, dioxyde de carbone et hydrogène (2).

Bien que certains acétate (20 %) et H 2 (4 %) soient directement produits par fermentation acidogène de sucres et d'acides aminés, les deux produits sont principalement dérivés de l'acétogenèse et de la déshydrogénation d'acides gras plus volatils (Fig. 4-1 Étape 2 ).

Les bactéries acétogènes productrices de H 2 obligatoires sont capables de produire de l'acétate et du H 2 à partir d'acides gras supérieurs. Seuls Syntrophobacter wolinii, un décomposeur de propionate (3) et Sytrophomonos wolfei, un décomposeur de butyrate (4) ont jusqu'à présent été isolés en raison de difficultés techniques liées à l'isolement de souches pures, car H 2 produit inhibe sévèrement la croissance de ces souches. L'utilisation de techniques de co-culture incorporant des consommateurs d'H 2 tels que des méthanogènes et des bactéries sulfato-réductrices peut donc faciliter l'élucidation de la dégradation biochimique des acides gras.

Les réactions globales de dégradation des acides gras à longue chaîne sont présentées dans les tableaux 4-1 et 4-2. La production de H 2 par les acétogènes est généralement énergétiquement défavorable en raison des besoins élevés en énergie libre ( a ”G o, > 0 Tableau 4-1 et 4-2).Cependant, avec une combinaison de bactéries consommatrices de H 2 (tableau 4-2, 4-3), les systèmes de co-culture offrent des conditions favorables à la décomposition des acides gras en acétate et en CH 4 ou H 2 S ( a ”G o , < 0). En plus de la décomposition des acides gras à longue chaîne, l'éthanol et le lactate sont également convertis en acétate et H 2 par un acétogène et Clostridium formicoaceticum, respectivement.

L'effet de la pression partielle de H 2 sur l'énergie libre associée à la conversion d'éthanol, de propionate, d'acétate et de H 2 /CO 2 pendant la fermentation du méthane est illustré à la figure 4-2. Une pression partielle extrêmement basse de H 2 (10 -5 atm) semble être un facteur important dans la dégradation du propionate en CH 4 . Une pression partielle aussi basse peut être obtenue dans une co-culture avec des bactéries consommatrices de H 2 comme décrit précédemment (tableau 4-2,4-3).

Les méthanogènes sont physiologiquement unis en tant que producteurs de méthane dans la digestion anaérobie (Fig. 4-1 Étape 3). Bien que l'acétate et le H 2 /CO 2 soient les principaux substrats disponibles dans le milieu naturel, le formiate, le méthanol, les méthylamines et le CO sont également convertis en CH 4 (tableau 4-3).

Tableau 4-1 Réactions proposées impliquées dans le catabolisme des acides gras par Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tableau 4-2 Changements d'énergie libre pour les réactions impliquant une oxydation anaérobie dans des cultures pures ou dans des co-cultures avec H 2 -Utilisant des méthanogènes ou Desulfovibrio spp.

1. Bactéries acétogènes réductrices de protons (productrices de H 2 )

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H 2 -utilisant des méthanogènes et des desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tableau 4-3 Réactions énergétiques des méthanogènes

CO 2 + 4 H 2 ® CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + ® CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O ® CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O

CO + 0,5 H 2 O ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3 ) 3 NH+ 1,5H 2 O ® 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Étant donné que les méthanogènes, en tant qu'anaérobies obligatoires, nécessitent un potentiel redox inférieur à -300 mV pour leur croissance, leur isolement et leur culture étaient quelque peu insaisissables en raison des difficultés techniques rencontrées pour les manipuler dans des conditions complètement exemptes d'O 2 . Cependant, grâce à des techniques d'isolement de méthanogène grandement améliorées développées par Hungate (6), plus de 40 souches de méthanogènes purs ont maintenant été isolées. Les méthanogènes peuvent être divisés en deux groupes : H 2 /CO 2 - et les consommateurs d'acétate. Bien que certains des consommateurs de H 2 /CO 2 soient capables d'utiliser le formiate, l'acétate est consommé par un nombre limité de souches, telles que Methanosarcina spp. et Methanothrix spp. (maintenant, Methanosaeta), qui sont incapables d'utiliser le formate. Étant donné qu'une grande quantité d'acétate est produite dans le milieu naturel (Fig. 4-1), Methanosarcina et Methanothrix jouent un rôle important dans l'achèvement de la digestion anaérobie et dans l'accumulation de H 2 , qui inhibe les acétogènes et les méthanogènes. Les méthanogènes consommateurs de H 2 sont également importants pour maintenir de faibles niveaux de H 2 atmosphérique.

Les méthanogènes consommateurs de H 2 /CO 2 réduisent le CO 2 en tant qu'accepteur d'électrons via les niveaux de formyle, méthényle et méthyle par association avec des coenzymes inhabituelles, pour finalement produire du CH 4 (7) (Fig. 4-3). La réaction acétoclastique globale peut être exprimée comme suit :

Étant donné qu'une petite partie du CO 2 est également formée à partir de carbone dérivé du groupe méthyle, on soupçonne que le potentiel réduit produit à partir du groupe méthyle peut réduire le CO 2 en CH 4 (8).

Sur la base de l'analyse des séquences homologues des ARNr 16S, les méthanogènes ont été classés dans l'un des trois règnes primaires des organismes vivants : les Archaea (Archaebacteria). Les Archaea comprennent également des groupes majeurs d'organismes tels que les thermophiles et les halophiles. Bien que les archées possèdent une structure et une organisation cellulaires procaryotes, elles partagent des caractéristiques communes avec les eucaryotes : des séquences homologues dans l'ARNr et l'ARNt, la présence d'inn-ones dans leurs génomes, une organisation similaire des sous-unités d'ARN polymérase, des homologies immunologiques et des systèmes de traduction.

La technologie de l'ADN recombinant est l'une des techniques les plus puissantes pour caractériser la régulation biochimique et génétique de la méthanogénèse. Cela nécessite la sélection de marqueurs génétiques, un système de transformation génétique efficace et un système de vecteur pour la recombinaison génétique comme conditions préalables.

Les souches génétiquement marquées sont des préalables aux études génétiques : ces souches peuvent être utilisées pour développer un système d'échange génétique chez les méthanogènes basé sur un système de sélection efficace. Comme la croissance de M. thermoautotrophicum est inhibée par le fluorouracile, des souches résistantes aux analogues ont été isolées par mutation spontanée. D'autres mutants résistants à la DL-éthionine ou au 2-bromoéthane sulfonate (analogue du coenzyme M), en plus des mutants autotrophes, ont été obtenus par traitement mutagène. Plusieurs souches autotrophes ont également été obtenues pour le méthanogène acétoclastique, M. voltae. Ces souches mutantes sont répertoriées dans le tableau 4-4.

Bien que certains gènes méthanogènes tels que les gènes biosynthétiques des acides aminés et des purines, les gènes des machines de transcription et de traduction et les gènes des protéines structurelles aient été clonés, les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la méthanogenèse ont été choisis ici comme "gènes du méthane".

La méthyl CoM réductase (MR Fig. 4-3) constitue environ 10 % de la protéine totale dans les cultures méthanogènes. L'importance et l'abondance de la RM ont inévitablement focalisé l'attention initiale sur l'élucidation de sa structure et des mécanismes dirigeant sa synthèse et sa régulation. Des gènes codant pour MR ont été clonés et séquencés à partir de Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum et M. fervidus.

La formylméthanofurane transférase (FTR) catalyse le transfert d'un groupe formyle du formylméthanofurane (MFR) à la tétrahydrométhanotérine (H 4 MPT) (Fig. 4-3, 4-2). Le gène codant pour FTR de M. thermoautotrophicum a été cloné, séquencé et exprimé fonctionnellement dans E. coli. La formiate déshydrogénase (FDH) peut parfois représenter 2 à 3 % des protéines solubles totales dans les cultures méthanogènes. Les deux gènes codant pour les sous-unités a ± et a ² de la FDH ont été clonés et séquencés à partir de M formicicum. De plus, les gènes codant pour l'hydrogénase réductrice de F420 (Fig. 4-3), la ferredoxine et l'ATPase ont également été clonés.

Tableau 4-4 Mutants auxotrophes et résistants aux médicaments applicables aux expériences de transfert de gènes


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Les moteurs HCCI ont une longue histoire, même si HCCI n'a pas été aussi largement mis en œuvre que l'allumage par étincelle ou l'injection diesel. Il s'agit essentiellement d'un cycle de combustion Otto. Le HCCI était populaire avant l'utilisation de l'allumage électronique par étincelle. Un exemple est le moteur à bulbe chaud qui utilisait une chambre de vaporisation chaude pour aider à mélanger le carburant avec l'air. La chaleur supplémentaire combinée à la compression a induit les conditions de combustion. Un autre exemple est le moteur d'avion modèle "diesel".

Méthodes Modifier

Un mélange de carburant et d'air s'enflamme lorsque la concentration et la température des réactifs sont suffisamment élevées. La concentration et/ou la température peuvent être augmentées de plusieurs manières différentes :

  • Augmentation du taux de compression
  • Préchauffage des gaz d'induction
  • Induction forcée
  • Gaz d'échappement retenus ou réintroduits

Une fois enflammée, la combustion se produit très rapidement. Lorsque l'auto-allumage se produit trop tôt ou avec trop d'énergie chimique, la combustion est trop rapide et des pressions élevées dans les cylindres peuvent détruire un moteur. Pour cette raison, le HCCI est généralement utilisé avec des mélanges de carburant globaux pauvres.

Avantages Modifier

  • Étant donné que les moteurs HCCI sont pauvres en carburant, ils peuvent fonctionner à des taux de compression de type diesel (>15), atteignant ainsi une efficacité 30 % plus élevée que les moteurs à essence SI conventionnels. [2]
  • Un mélange homogène de carburant et d'air permet une combustion plus propre et des émissions plus faibles. Étant donné que les températures de pointe sont nettement inférieures à celles des moteurs SI typiques, les niveaux de NOx sont presque négligeables. De plus, la technique ne produit pas de suie. [3]
  • Les moteurs HCCI peuvent fonctionner à l'essence, au diesel et à la plupart des carburants alternatifs. [4]
  • HCCI évite les pertes d'accélérateur, ce qui améliore encore l'efficacité. [5]

Inconvénients Modifier

  • Atteindre la capacité de démarrage à froid.
  • Les taux élevés de dégagement de chaleur et de montée en pression contribuent à l'usure du moteur.
  • L'auto-allumage est difficile à contrôler, contrairement à l'événement d'allumage dans les moteurs SI et diesel, qui sont contrôlés respectivement par des bougies d'allumage et des injecteurs de carburant dans le cylindre. [6]
  • Les moteurs HCCI ont une petite plage de couple, limitée à faibles charges par des limites d'inflammabilité pauvres et des charges élevées par des restrictions de pression dans les cylindres. [7] (CO) et les émissions de pré-catalyseur d'hydrocarbures (HC) sont plus élevées qu'un moteur à allumage commandé typique, causées par une oxydation incomplète (en raison de l'événement de combustion rapide et des basses températures dans le cylindre) et des gaz de fissure piégés, respectivement. [8]

Contrôle Modifier

Le HCCI est plus difficile à contrôler que les autres moteurs à combustion, tels que le SI et le diesel. Dans un moteur à essence typique, une étincelle est utilisée pour enflammer le carburant et l'air prémélangés. Dans les moteurs diesel, la combustion commence lorsque le carburant est injecté dans de l'air pré-comprimé. Dans les deux cas, le calage de la combustion est explicitement contrôlé. Dans un moteur HCCI, cependant, le mélange homogène de carburant et d'air est comprimé et la combustion commence dès qu'une pression et une température suffisantes sont atteintes. Cela signifie qu'aucun initiateur de combustion bien défini ne fournit un contrôle direct. Les moteurs doivent être conçus de manière à ce que les conditions d'allumage se produisent au moment souhaité. Pour obtenir un fonctionnement dynamique, le système de contrôle doit gérer les conditions qui induisent la combustion. Les options incluent le taux de compression, la température du gaz induit, la pression du gaz induit, le rapport air-carburant ou la quantité d'échappement retenu ou réintroduit. Plusieurs approches de contrôle sont discutées ci-dessous.

Taux de compression Modifier

Deux taux de compression sont significatifs. Les taux de compression géométrique peut être changé avec un piston mobile en haut de la culasse. Ce système est utilisé dans les moteurs d'aéromodélisme diesel. Les taux de compression effectif peut être réduit par rapport au rapport géométrique en fermant la soupape d'admission soit très tard, soit très tôt avec un actionnement variable des soupapes (calage variable des soupapes qui permet le cycle de Miller). Les deux approches nécessitent de l'énergie pour obtenir une réponse rapide. De plus, la mise en œuvre est coûteuse, mais efficace. [9] L'effet du taux de compression sur la combustion HCCI a également été largement étudié. [dix]

Température d'induction Modifier

L'événement d'auto-inflammation du HCCI est très sensible à la température. La méthode de contrôle de la température la plus simple utilise des résistances chauffantes pour faire varier la température d'entrée, mais cette approche est trop lente pour changer sur une fréquence cycle à cycle. [11] Une autre technique est gestion thermique rapide (FTM). Elle est réalisée en faisant varier la température de charge d'admission en mélangeant des flux d'air chaud et froid. Il est suffisamment rapide pour permettre un contrôle cycle à cycle. [12] Il est également coûteux à mettre en œuvre et a une bande passante limitée associée à l'énergie de l'actionneur.

Pourcentage de gaz d'échappement Modifier

Les gaz d'échappement sont très chauds s'ils sont retenus ou réintroduits à partir du cycle de combustion précédent ou refroidis s'ils sont recirculés à travers l'admission comme dans les systèmes EGR conventionnels. L'échappement a un double effet sur la combustion HCCI. Il dilue la charge fraîche, retardant l'allumage et réduisant l'énergie chimique et la puissance du moteur. Les produits de combustion chauds augmentent à l'inverse la température des gaz dans le cylindre et avancent l'allumage. Le contrôle du calage de la combustion des moteurs HCCI à l'aide de l'EGR a été démontré expérimentalement. [13]

Actionnement de la vanne Modifier

Actionnement variable de la vanne (VVA) étend la zone de fonctionnement HCCI en donnant un contrôle plus fin sur l'enveloppe température-pression-temps dans la chambre de combustion. VVA peut y parvenir via soit :

  • Contrôle du taux de compression effectif : VVA à l'admission peut contrôler le point auquel la soupape d'admission se ferme. Le retardement au-delà du point mort bas (BDC) modifie le taux de compression, modifiant l'enveloppe de temps de pression dans le cylindre.
  • Contrôle de la quantité de gaz d'échappement chauds retenus dans la chambre de combustion : VVA peut contrôler la quantité d'EGR chaud dans la chambre de combustion, soit par la réouverture des soupapes, soit par des modifications du chevauchement des soupapes. L'équilibrage du pourcentage d'EGR externe refroidi avec l'EGR interne chaud généré par un système VVA permet de contrôler la température dans le cylindre.

Alors que les systèmes VVA électrohydrauliques et sans came offrent un contrôle sur l'événement de vanne, les composants pour de tels systèmes sont actuellement compliqués et coûteux. Les systèmes mécaniques à levée et durée variables, cependant, bien que plus complexes qu'un système de soupapes standard, sont moins chers et moins compliqués. Il est relativement simple de configurer de tels systèmes pour obtenir le contrôle nécessaire sur la courbe de levée de soupape.

Mélange de carburant Modifier

Un autre moyen d'étendre la plage de fonctionnement consiste à contrôler le début de l'allumage et le taux de dégagement de chaleur [14] [15] en manipulant le combustible lui-même. Ceci est généralement effectué en mélangeant plusieurs carburants "à la volée" pour le même moteur. [16] Les exemples incluent le mélange d'essence commerciale et de carburant diesel, [17] l'adoption du gaz naturel [18] ou de l'éthanol. [19] Ceci peut être réalisé de plusieurs manières :

  • Mélange en amont : Les carburants sont mélangés en phase liquide, un avec une faible résistance à l'inflammation (comme le diesel) et un second avec une plus grande résistance (essence). Le calage de l'allumage varie avec le rapport de ces carburants.
  • Mélange dans la chambre : Un carburant peut être injecté dans le conduit d'admission (injection d'orifice) et l'autre directement dans le cylindre.

Injection directe : PCCI ou PPCI Combustion Modifier

La combustion à injection directe par allumage par compression (CIDI) est un moyen bien établi de contrôler le calage de l'allumage et le taux de dégagement de chaleur et est adoptée dans la combustion des moteurs diesel. L'allumage par compression à charge partiellement prémélangée (PPCI) également connu sous le nom d'allumage à compression à charge prémélangée (PCCI) est un compromis offrant le contrôle de la combustion CIDI avec les émissions de gaz d'échappement réduites de HCCI, en particulier moins de suie. [20] Le taux de dégagement de chaleur est contrôlé en préparant le mélange combustible de manière à ce que la combustion se produise sur une durée plus longue, ce qui le rend moins sujet aux chocs. Cela se fait en chronométrant l'événement d'injection de telle sorte qu'une plage de rapports air/carburant se propage à travers le cylindre de combustion lorsque l'allumage commence. L'allumage se produit dans différentes régions de la chambre de combustion à des moments différents, ce qui ralentit le taux de dégagement de chaleur. Ce mélange est conçu pour minimiser le nombre de poches riches en carburant, réduisant ainsi la formation de suie. [21] L'adoption de carburants EGR et diesel élevés avec une plus grande résistance à l'allumage (plus « de type essence ») permet des temps de mélange plus longs avant l'allumage et donc moins de poches riches qui produisent de la suie et du NO
X [20] [21]

Pression de pointe et taux de dégagement de chaleur Modifier

Dans un ICE typique, la combustion se produit via une flamme. Par conséquent, à tout moment, seule une fraction du carburant total brûle. Il en résulte de faibles pics de pression et de faibles taux de libération d'énergie. Cependant, dans le HCCI, l'ensemble du mélange carburant/air s'enflamme et brûle sur un intervalle de temps beaucoup plus court, ce qui entraîne des pressions de pointe élevées et des taux de libération d'énergie élevés. Pour résister aux pressions plus élevées, le moteur doit être structurellement plus solide. Plusieurs stratégies ont été proposées pour abaisser le taux de combustion et la pression de pointe. Le mélange de carburants, avec des propriétés d'auto-allumage différentes, peut réduire la vitesse de combustion. [22] Cependant, cela nécessite une infrastructure importante à mettre en œuvre. Une autre approche utilise la dilution (c'est-à-dire avec des gaz d'échappement) pour réduire la pression et les taux de combustion (et le rendement). [23]

Dans le chambre de combustion divisée approche [1], il y a deux chambres de combustion qui coopèrent : une petite auxiliaire et une grande principale.
Un taux de compression élevé est utilisé dans la chambre de combustion auxiliaire.
Un taux de compression modéré est utilisé dans la chambre de combustion principale dans laquelle un mélange air-carburant homogène est comprimé/chauffé près, mais en dessous, du seuil d'auto-allumage.
Le taux de compression élevé dans la chambre de combustion auxiliaire provoque l'auto-allumage du mélange air-carburant pauvre et homogène (aucune bougie d'allumage requise) les gaz brûlés éclatent - à travers certains "orifices de transfert", juste avant le PMH - dans la combustion principale chambre déclenchant son auto-allumage.
Le moteur n'a pas besoin d'être structurellement plus solide.

Puissance Modifier

Dans les ICE, la puissance peut être augmentée en introduisant plus de carburant dans la chambre de combustion. Ces moteurs peuvent supporter une augmentation de puissance car le taux de dégagement de chaleur dans ces moteurs est lent. Cependant, dans les moteurs HCCI, l'augmentation du rapport carburant/air entraîne des pressions de pointe et des taux de dégagement de chaleur plus élevés. De plus, de nombreuses stratégies de contrôle HCCI viables nécessitent un préchauffage thermique du carburant, ce qui réduit la densité et donc la masse de la charge air/carburant dans la chambre de combustion, réduisant ainsi la puissance. Ces facteurs rendent difficile l'augmentation de la puissance des moteurs HCCI.

Une technique consiste à utiliser des carburants ayant différentes propriétés d'auto-allumage. Ceci abaisse le taux de dégagement de chaleur et les pics de pression et permet d'augmenter le rapport d'équivalence. Une autre façon consiste à stratifier thermiquement la charge de sorte que différents points de la charge comprimée aient des températures différentes et brûlent à des moments différents, abaissant le taux de dégagement de chaleur et permettant d'augmenter la puissance. [24] Une troisième façon consiste à faire fonctionner le moteur en mode HCCI uniquement dans des conditions de charge partielle et à le faire fonctionner comme un moteur diesel ou SI dans des conditions de charge plus élevées. [25]

Émissions Modifier

Parce que HCCI fonctionne sur des mélanges pauvres, la température de pointe est beaucoup plus basse que celle rencontrée dans les moteurs SI et diesel. Cette basse température de pointe réduit la formation de NO
X , mais cela conduit également à une combustion incomplète du carburant, en particulier près des parois de la chambre de combustion. Cela produit des émissions de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures relativement élevées. Un catalyseur oxydant permet d'éliminer les espèces régulées, car les gaz d'échappement sont encore riches en oxygène.

Différence de frapper Modifier

Le cognement ou le cliquetis du moteur se produit lorsque certains des gaz non brûlés devant la flamme dans un moteur SI s'enflamment spontanément. Ce gaz est comprimé au fur et à mesure que la flamme se propage et que la pression dans la chambre de combustion augmente. La pression élevée et la température élevée correspondante des réactifs non brûlés peuvent provoquer leur inflammation spontanée. Cela provoque la traversée d'une onde de choc depuis la région de gaz d'extrémité et une onde d'expansion de traversée dans la région de gaz d'extrémité. Les deux ondes se réfléchissent sur les limites de la chambre de combustion et interagissent pour produire des ondes stationnaires de haute amplitude, formant ainsi un dispositif thermoacoustique primitif où la résonance est amplifiée par l'augmentation du dégagement de chaleur pendant le trajet des ondes, semblable à un tube de Rijke.

Un processus d'allumage similaire se produit dans le HCCI. Cependant, plutôt qu'une partie du mélange réactif s'enflammant par compression devant un front de flamme, l'allumage dans les moteurs HCCI se produit en raison de la compression du piston plus ou moins simultanément dans la majeure partie de la charge comprimée. Peu ou pas de différences de pression se produisent entre les différentes régions du gaz, éliminant toute onde de choc et cognement, mais l'augmentation rapide de la pression est toujours présente et souhaitable du point de rechercher une efficacité maximale à partir d'un ajout de chaleur isochore presque idéal.

Simulation de moteurs HCCI Modifier

Les modèles informatiques pour simuler les taux de combustion et de dégagement de chaleur des moteurs HCCI nécessitent des modèles chimiques détaillés. [17] [26] Ceci est dû en grande partie au fait que l'allumage est plus sensible à la cinétique chimique qu'aux processus de turbulence/de pulvérisation ou d'étincelle comme cela est typique dans les moteurs SI et diesel. Les modèles informatiques ont démontré l'importance de tenir compte du fait que le mélange dans le cylindre est en fait inhomogène, en particulier en termes de température. Cette inhomogénéité est due au mélange turbulent et au transfert de chaleur depuis les parois de la chambre de combustion. La quantité de stratification de température dicte le taux de dégagement de chaleur et donc la tendance à cogner. [27] Cela limite l'utilité de considérer le mélange dans le cylindre comme une zone unique, ce qui entraîne l'intégration de codes de dynamique des fluides computationnelle 3D tels que le code KIVA CFD du Los Alamos National Laboratory et des codes de modélisation de fonction de densité de probabilité de résolution plus rapide. [28] [29]

En 2017, aucun moteur HCCI n'a été produit à l'échelle commerciale. Cependant, plusieurs constructeurs automobiles avaient des prototypes HCCI fonctionnels.

  • La moto Honda EXP-2 de 1994 utilisait la "combustion ARC". Cela avait un moteur à deux temps utilise une soupape d'échappement pour imiter un mode HCCI. Honda a vendu un CRM 250 AR.
  • En 2007-2009, General Motors a fait la démonstration du HCCI avec un moteur Ecotec de 2,2 L modifié installé sur l'Opel Vectra et la Saturn Aura. [30] Le moteur fonctionne en mode HCCI à des vitesses inférieures à 60 miles par heure (97 km/h) ou en croisière, passant au SI conventionnel lorsque la manette des gaz est ouverte et produit une économie de carburant de 43 miles par gallon impérial (6,6 L/100 km 36 mpg-NOUS) et des émissions de dioxyde de carbone d'environ 150 grammes par kilomètre, améliorant les 37 miles par gallon impérial (7,6 L/100 km 31 mpg-NOUS) et 180 g/km de la version classique 2,2 L à injection directe. [31] GM recherche également des moteurs plus petits de la famille 0 pour les applications HCCI. GM a utilisé KIVA dans le développement de moteurs à essence à injection directe et à charge stratifiée ainsi que pour le moteur à essence à charge homogène et à combustion rapide. [29] ont développé un prototype de moteur appelé DiesOtto, avec un allumage automatique contrôlé. Il a été présenté dans son concept-car F 700 au Salon de l'auto de Francfort 2007. [32] développent deux types de moteurs pour le fonctionnement HCCI. Le premier, appelé Combustion System ou CCS, est basé sur le moteur diesel 2,0 litres du groupe VW, mais utilise une charge d'admission homogène. Il nécessite un carburant synthétique pour obtenir un maximum d'avantages. Le second s'appelle Gasoline Compression Ignition ou GCI, il utilise le HCCI lors de la croisière et l'allumage par étincelle lors de l'accélération. Les deux moteurs ont été démontrés dans des prototypes Touran. [33]
  • En novembre 2011, Hyundai a annoncé le développement du moteur GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) en association avec Delphi Automotive. [34] Le moteur a complètement éliminé les bougies d'allumage et utilise à la place à la fois un compresseur et un turbocompresseur pour maintenir la pression dans le cylindre. Le moteur est prévu pour une production commerciale dans un proche avenir. [35]
  • En octobre 2005, le Wall Street Journal a rapporté que Honda développait un moteur HCCI dans le cadre d'un effort visant à produire une voiture hybride de prochaine génération. [36]
  • Oxy-Gen Combustion, une société de technologie propre basée au Royaume-Uni, a produit un moteur concept HCCI à pleine charge avec l'aide de Michelin et Shell. [37]
  • Le SkyActiv-G génération 2 de Mazda a un taux de compression de 18:1 pour permettre l'utilisation de la combustion HCCI. [38] Un modèle de moteur appelé SKYACTIV-X a été annoncé par Mazda en août 2017 comme percée majeure dans la technologie des moteurs. [39]
  • Mazda entreprend des recherches avec HCCI avec des moteurs Wankel. [40]

À ce jour, peu de prototypes de moteurs fonctionnent en mode HCCI, mais la recherche HCCI a permis des avancées dans le développement du carburant et des moteurs. Les exemples comprennent:


La température d'auto-inflammation

La température d'auto-inflammation (AIT) de la matière dangereuse dans une installation doit être connue pour compléter son EAC. NFPA 497 fournit des valeurs AIT pour diverses substances combustibles.

Une classification de zone typique pour le gaz propane serait : Classe I, Division 2, Groupe D, 450C AIT. Ici:

  • La classe I indique la présence de vapeur.
  • La division 2 indique que la vapeur n'est présente que dans des conditions anormales.
  • Le groupe D indique que le propane est membre de ce groupe.
  • 450C est la température d'auto-inflammation du propane.

Une fois qu'une zone a été classée, le NEC fournit des exigences très spécifiques et strictes concernant l'équipement électrique et le câblage associé qui peuvent être installés dans cette zone. Les exigences visent à empêcher que les équipements électriques ne soient la source d'inflammation d'un mélange inflammable. En conséquence, l'installation elle-même doit être antidéflagrante.

De toute évidence, l'EAC d'une installation doit être connue avant que tout équipement électrique puisse être spécifié, conçu ou installé. Sur de nombreux projets électriques CTG, les équipements mécaniques à usage spécial avec de longs délais de livraison (moteurs et systèmes et composants de contrôle-commande, par exemple) doivent être spécifiés et commandés tôt. Le fait de ne pas déterminer l'EAC pour l'installation et cet équipement en temps opportun peut entraîner des installations dangereuses, des reprises, de la confusion, des retards et des dépassements de coûts.


Contenu

Les premières références aux piles à combustible à hydrogène sont apparues en 1838. Dans une lettre datée d'octobre 1838 mais publiée dans l'édition de décembre 1838 de The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, le physicien et avocat gallois Sir William Grove a écrit sur le développement de ses premières piles à combustible brutes. Il a utilisé une combinaison de plaques de tôle, de cuivre et de porcelaine, et une solution de sulfate de cuivre et d'acide dilué. [6] [7] Dans une lettre à la même publication écrite en décembre 1838 mais publiée en juin 1839, le physicien allemand Christian Friedrich Schönbein a discuté de la première pile à combustible brute qu'il avait inventée. Sa lettre parlait du courant généré par l'hydrogène et l'oxygène dissous dans l'eau. [8] Grove a esquissé plus tard sa conception, en 1842, dans le même journal. La pile à combustible qu'il a fabriquée utilisait des matériaux similaires à la pile à combustible à acide phosphorique d'aujourd'hui. [9] [10]

Les Britanniques qui ont soutenu les atterrissages sur la Lune, Archives de la BBC. [11]

En 1932, l'ingénieur anglais Francis Thomas Bacon a développé avec succès une pile à combustible stationnaire de 5 kW. [11] La pile à combustible alcaline (AFC), également connue sous le nom de pile à combustible Bacon du nom de son inventeur, est l'une des technologies de pile à combustible les plus développées, utilisée par la NASA depuis le milieu des années 1960. [11] [12]

En 1955, W. Thomas Grubb, un chimiste travaillant pour la General Electric Company (GE), a encore modifié la conception originale de la pile à combustible en utilisant une membrane échangeuse d'ions en polystyrène sulfoné comme électrolyte. Trois ans plus tard, un autre chimiste de GE, Leonard Niedrach, a mis au point un moyen de déposer du platine sur la membrane, qui a servi de catalyseur aux réactions nécessaires d'oxydation de l'hydrogène et de réduction de l'oxygène. Cela est devenu connu sous le nom de « pile à combustible Grubb-Niedrach ». [13] [14] GE a continué à développer cette technologie avec la NASA et McDonnell Aircraft, ce qui a conduit à son utilisation pendant le projet Gemini. Ce fut la première utilisation commerciale d'une pile à combustible. En 1959, une équipe dirigée par Harry Ihrig a construit un tracteur à pile à combustible de 15 kW pour Allis-Chalmers, qui a été présenté à travers les États-Unis lors de foires d'État. Ce système utilisait de l'hydroxyde de potassium comme électrolyte et de l'hydrogène et de l'oxygène comprimés comme réactifs. Plus tard en 1959, Bacon et ses collègues ont fait la démonstration d'une unité pratique de cinq kilowatts capable d'alimenter une machine à souder. Dans les années 1960, Pratt & Whitney a autorisé les brevets américains de Bacon à être utilisés dans le programme spatial américain pour fournir de l'électricité et de l'eau potable (l'hydrogène et l'oxygène étant facilement disponibles à partir des réservoirs du vaisseau spatial). En 1991, la première automobile à pile à combustible à hydrogène a été développée par Roger Billings. [15] [16]

UTC Power a été la première entreprise à fabriquer et à commercialiser un grand système de pile à combustible stationnaire destiné à être utilisé comme centrale de cogénération dans les hôpitaux, les universités et les grands immeubles de bureaux. [17]

En reconnaissance de l'industrie des piles à combustible et du rôle de l'Amérique dans le développement des piles à combustible, le Sénat américain a reconnu le 8 octobre 2015 Journée nationale de l'hydrogène et des piles à combustible, passant S. RES 217. La date a été choisie en raison du poids atomique de l'hydrogène (1.008 ). [18]

Les piles à combustible existent en plusieurs variétés, mais elles fonctionnent toutes de la même manière générale. Ils sont constitués de trois segments adjacents : l'anode, l'électrolyte et la cathode. Deux réactions chimiques se produisent aux interfaces des trois segments différents. Le résultat net des deux réactions est que du carburant est consommé, de l'eau ou du dioxyde de carbone est créé et un courant électrique est créé, qui peut être utilisé pour alimenter des appareils électriques, normalement appelés charge.

À l'anode, un catalyseur oxyde le carburant, généralement de l'hydrogène, transformant le carburant en un ion chargé positivement et un électron chargé négativement. L'électrolyte est une substance spécialement conçue pour que les ions puissent le traverser, mais pas les électrons. Les électrons libérés voyagent à travers un fil créant le courant électrique. Les ions traversent l'électrolyte jusqu'à la cathode. Une fois arrivés à la cathode, les ions sont réunis avec les électrons et les deux réagissent avec un troisième produit chimique, généralement de l'oxygène, pour créer de l'eau ou du dioxyde de carbone.

Les caractéristiques de conception d'une pile à combustible comprennent :

  • La substance électrolytique, qui définit généralement la taper de pile à combustible et peut être fabriqué à partir d'un certain nombre de substances telles que l'hydroxyde de potassium, les carbonates de sel et l'acide phosphorique. [19]
  • Le carburant qui est utilisé. Le carburant le plus courant est l'hydrogène.
  • Le catalyseur de l'anode, généralement une fine poudre de platine, décompose le carburant en électrons et ions.
  • Le catalyseur cathodique, souvent du nickel, convertit les ions en déchets chimiques, l'eau étant le type de déchets le plus courant. [20]
  • Des couches de diffusion de gaz conçues pour résister à l'oxydation. [20]

Une pile à combustible typique produit une tension de 0,6 à 0,7 V à pleine charge nominale. La tension diminue à mesure que le courant augmente, en raison de plusieurs facteurs :

Pour fournir la quantité d'énergie souhaitée, les piles à combustible peuvent être combinées en série pour produire une tension plus élevée et en parallèle pour permettre l'alimentation d'un courant plus élevé. Une telle conception est appelée un pile à combustible. La surface de la cellule peut également être augmentée, pour permettre un courant plus élevé de chaque cellule.

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) Modifier

Dans l'archétype de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons à oxyde d'hydrogène, une membrane polymère conductrice de protons (généralement du nafion) contient la solution d'électrolyte qui sépare les côtés anode et cathode. [25] [26] Cela s'appelait un pile à combustible à électrolyte polymère solide (SPEFC) au début des années 1970, avant que le mécanisme d'échange de protons ne soit bien compris. (Notez que les synonymes membrane électrolytique polymère et 'mécanisme d'échange de protons aboutir au même acronyme.)

Du côté de l'anode, l'hydrogène diffuse vers le catalyseur de l'anode où il se dissocie plus tard en protons et électrons. Ces protons réagissent souvent avec les oxydants, les faisant devenir ce que l'on appelle communément des membranes protoniques multi-facilités. Les protons sont conduits à travers la membrane jusqu'à la cathode, mais les électrons sont obligés de voyager dans un circuit externe (alimentation électrique) car la membrane est électriquement isolante. Sur le catalyseur cathodique, les molécules d'oxygène réagissent avec les électrons (qui ont voyagé dans le circuit externe) et les protons pour former de l'eau.

En plus de ce type d'hydrogène pur, il existe des carburants hydrocarbonés pour piles à combustible, notamment le diesel, le méthanol (voir: piles à combustible au méthanol direct et piles à combustible au méthanol indirect) et les hydrures chimiques. Les déchets avec ces types de carburant sont le dioxyde de carbone et l'eau. Lorsqu'on utilise de l'hydrogène, le CO2 est libéré lorsque le méthane du gaz naturel est combiné à de la vapeur, dans un processus appelé reformage du méthane à la vapeur, pour produire de l'hydrogène. Cela peut avoir lieu dans un endroit différent de la pile à combustible, permettant potentiellement à la pile à combustible à hydrogène d'être utilisée à l'intérieur, par exemple, dans des chariots élévateurs.

Les différents composants d'une PEMFC sont

  1. plaques bipolaires, , ,
  2. membrane, et
  3. le matériel nécessaire tel que les collecteurs de courant et les joints. [27]

Les matériaux utilisés pour les différentes parties des piles à combustible diffèrent selon le type. Les plaques bipolaires peuvent être constituées de différents types de matériaux, tels que le métal, le métal revêtu, le graphite, le graphite flexible, les composites C-C, les composites carbone-polymère, etc. cœur de la PEMFC et est généralement constitué d'une membrane échangeuse de protons prise en sandwich entre deux papiers de carbone revêtus de catalyseur. Le platine et/ou un type similaire de métaux nobles sont généralement utilisés comme catalyseur pour la PEMFC. L'électrolyte pourrait être une membrane polymère.

Problèmes de conception des piles à combustible à membrane échangeuse de protons Modifier

Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) Modifier

Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) ont été conçues et introduites pour la première fois en 1961 par G. V. Elmore et H. A. Tanner. Dans ces cellules, l'acide phosphorique est utilisé comme électrolyte non conducteur pour faire passer les ions hydrogène positifs de l'anode à la cathode. Ces cellules fonctionnent généralement à des températures de 150 à 200 degrés Celsius. Cette température élevée entraînera une perte de chaleur et d'énergie si la chaleur n'est pas évacuée et utilisée correctement. Cette chaleur peut être utilisée pour produire de la vapeur pour les systèmes de climatisation ou tout autre système consommateur d'énergie thermique. [37] L'utilisation de cette chaleur dans la cogénération peut améliorer l'efficacité des piles à combustible à acide phosphorique de 40 à 50 % à environ 80 %. [37] L'acide phosphorique, l'électrolyte utilisé dans les PAFC, est un acide liquide non conducteur qui force les électrons à voyager de l'anode à la cathode à travers un circuit électrique externe. Étant donné que le taux de production d'ions hydrogène sur l'anode est faible, le platine est utilisé comme catalyseur pour augmenter ce taux d'ionisation. Un inconvénient majeur de ces cellules est l'utilisation d'un électrolyte acide. Cela augmente la corrosion ou l'oxydation des composants exposés à l'acide phosphorique. [38]

Pile à combustible à acide solide (SAFC) Modifier

Les piles à combustible à acide solide (SAFC) sont caractérisées par l'utilisation d'un matériau acide solide comme électrolyte. À basse température, les acides solides ont une structure moléculaire ordonnée comme la plupart des sels. A des températures plus chaudes (entre 140 et 150 °C pour le CsHSO4), certains acides solides subissent une transition de phase pour devenir des structures « superprotoniques » hautement désordonnées, ce qui augmente la conductivité de plusieurs ordres de grandeur. Les premières SAFC de preuve de concept ont été développées en 2000 à l'aide d'hydrogénosulfate de césium (CsHSO4). [39] Les systèmes SAFC actuels utilisent du dihydrogénophosphate de césium (CsH2Bon de commande4) et ont démontré des durées de vie en milliers d'heures. [40]

Pile à combustible alcaline (AFC) Modifier

La pile à combustible alcaline ou pile à combustible hydrogène-oxygène a été conçue et démontrée pour la première fois publiquement par Francis Thomas Bacon en 1959. Elle a été utilisée comme principale source d'énergie électrique dans le programme spatial Apollo. [41] La cellule est constituée de deux électrodes de carbone poreuses imprégnées d'un catalyseur approprié tel que Pt, Ag, CoO, etc. L'espace entre les deux électrodes est rempli d'une solution concentrée de KOH ou de NaOH qui sert d'électrolyte. H2 gaz et O2 gaz sont barbotés dans l'électrolyte à travers les électrodes de carbone poreux. Ainsi, la réaction globale implique la combinaison d'hydrogène gazeux et d'oxygène gazeux pour former de l'eau. La cellule fonctionne en continu jusqu'à épuisement de la réserve de réactif. Ce type de cellule fonctionne efficacement dans la plage de température de 343 à 413 K et fournit un potentiel d'environ 0,9 V. [42] AAEMFC est un type d'AFC qui utilise un électrolyte polymère solide au lieu d'hydroxyde de potassium aqueux (KOH) et il est à l'AFC aqueux.

Piles à combustible à haute température Modifier

Pile à combustible à oxyde solide Modifier

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisent un matériau solide, le plus souvent un matériau céramique appelé zircone yttriée (YSZ), comme électrolyte. Étant donné que les SOFC sont entièrement constituées de matériaux solides, elles ne se limitent pas à la configuration plane d'autres types de piles à combustible et sont souvent conçues sous forme de tubes laminés. Ils nécessitent des températures de fonctionnement élevées (800-1000 °C) et peuvent fonctionner avec une variété de combustibles, y compris le gaz naturel. [5]

Les SOFC sont uniques car dans celles-ci, les ions d'oxygène chargés négativement voyagent de la cathode (côté positif de la pile à combustible) à l'anode (côté négatif de la pile à combustible) au lieu d'ions hydrogène chargés positivement voyageant de l'anode à la cathode, comme c'est le cas. le cas dans tous les autres types de piles à combustible. L'oxygène gazeux est introduit à travers la cathode, où il absorbe des électrons pour créer des ions oxygène. Les ions oxygène traversent ensuite l'électrolyte pour réagir avec l'hydrogène gazeux à l'anode. La réaction à l'anode produit de l'électricité et de l'eau comme sous-produits. Le dioxyde de carbone peut également être un sous-produit selon le combustible, mais les émissions de carbone d'un système SOFC sont inférieures à celles d'une installation de combustion de combustibles fossiles. [43] Les réactions chimiques pour le système SOFC peuvent être exprimées comme suit : [44]

Réaction anodique: 2H2 + 2O 2− → 2H2O + 4e − Réaction cathodique: O2 + 4e − → 2O 2− Réaction cellulaire globale: 2H2 + O2 → 2H2O

Les systèmes SOFC peuvent fonctionner avec des carburants autres que l'hydrogène pur. Cependant, comme l'hydrogène est nécessaire aux réactions énumérées ci-dessus, le carburant choisi doit contenir des atomes d'hydrogène. Pour que la pile à combustible fonctionne, le combustible doit être converti en gaz hydrogène pur. Les SOFC sont capables de reformer en interne des hydrocarbures légers tels que le méthane (gaz naturel), [45] le propane et le butane. [46] Ces piles à combustible sont à un stade précoce de développement. [47]

Des défis existent dans les systèmes SOFC en raison de leurs températures de fonctionnement élevées. L'un de ces défis est la possibilité que de la poussière de carbone s'accumule sur l'anode, ce qui ralentit le processus de reformage interne. Des recherches menées à l'Université de Pennsylvanie pour résoudre ce problème de "cokéfaction du carbone" ont montré que l'utilisation de cermet à base de cuivre (matériaux résistants à la chaleur en céramique et en métal) peut réduire la cokéfaction et la perte de performance. [48] ​​Un autre inconvénient des systèmes SOFC est le temps de démarrage lent, ce qui rend les SOFC moins utiles pour les applications mobiles. Malgré ces inconvénients, une température de fonctionnement élevée offre un avantage en supprimant le besoin d'un catalyseur en métal précieux comme le platine, réduisant ainsi les coûts. De plus, la chaleur résiduelle des systèmes SOFC peut être capturée et réutilisée, augmentant l'efficacité globale théorique jusqu'à 80-85%. [5]

La température de fonctionnement élevée est en grande partie due aux propriétés physiques de l'électrolyte YSZ. À mesure que la température diminue, la conductivité ionique de YSZ diminue également. Par conséquent, pour obtenir des performances optimales de la pile à combustible, une température de fonctionnement élevée est nécessaire. Selon leur site Web, Ceres Power, un fabricant britannique de piles à combustible SOFC, a développé une méthode pour réduire la température de fonctionnement de son système SOFC à 500-600 degrés Celsius. Ils ont remplacé l'électrolyte YSZ couramment utilisé par un électrolyte CGO (oxyde de cérium gadolinium). La température de fonctionnement inférieure leur permet d'utiliser de l'acier inoxydable au lieu de la céramique comme substrat de cellule, ce qui réduit les coûts et le temps de démarrage du système. [49]

Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) Modifier

Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) nécessitent une température de fonctionnement élevée, 650 °C (1 200 °F), similaire aux SOFC. Les MCFC utilisent du sel de carbonate de lithium et de potassium comme électrolyte, et ce sel se liquéfie à haute température, permettant le mouvement de la charge à l'intérieur de la cellule - dans ce cas, des ions carbonates négatifs. [50]

Comme les SOFC, les MCFC sont capables de convertir un combustible fossile en un gaz riche en hydrogène dans l'anode, éliminant ainsi le besoin de produire de l'hydrogène en externe. Le processus de reformage crée du CO
2 émissions. Les combustibles compatibles MCFC comprennent le gaz naturel, le biogaz et le gaz produit à partir du charbon. L'hydrogène contenu dans le gaz réagit avec les ions carbonate de l'électrolyte pour produire de l'eau, du dioxyde de carbone, des électrons et de petites quantités d'autres produits chimiques. Les électrons traversent un circuit externe créant de l'électricité et retournent à la cathode. Là, l'oxygène de l'air et le dioxyde de carbone recyclé de l'anode réagissent avec les électrons pour former des ions carbonate qui reconstituent l'électrolyte, complétant ainsi le circuit. [50] Les réactions chimiques pour un système MCFC peuvent être exprimées comme suit : [51]

Réaction anodique: CO3 2− + H2 → H2O + CO2 + 2e − Réaction cathodique: CO2 + ½O2 + 2e − → CO3 2− Réaction cellulaire globale: H2 + ½O2 → H2O

Comme pour les SOFC, les inconvénients des MCFC incluent des temps de démarrage lents en raison de leur température de fonctionnement élevée. Cela rend les systèmes MCFC non adaptés aux applications mobiles, et cette technologie sera très probablement utilisée à des fins de pile à combustible stationnaire. Le principal défi de la technologie MCFC est la courte durée de vie des cellules. L'électrolyte à haute température et carbonate entraîne une corrosion de l'anode et de la cathode. Ces facteurs accélèrent la dégradation des composants MCFC, diminuant la durabilité et la durée de vie des cellules. Les chercheurs s'attaquent à ce problème en explorant des matériaux résistants à la corrosion pour les composants ainsi que des conceptions de piles à combustible qui peuvent augmenter la durée de vie des piles sans diminuer les performances. [5]

Les MCFC présentent plusieurs avantages par rapport aux autres technologies de piles à combustible, notamment leur résistance aux impuretés. Ils ne sont pas sujets à la "cokéfaction du carbone", qui fait référence à l'accumulation de carbone sur l'anode qui entraîne une réduction des performances en ralentissant le processus de reformage interne du carburant. Par conséquent, les combustibles riches en carbone comme les gaz fabriqués à partir du charbon sont compatibles avec le système. Le département américain de l'Énergie affirme que le charbon lui-même pourrait même être une option de carburant à l'avenir, en supposant que le système puisse être rendu résistant aux impuretés telles que le soufre et les particules résultant de la conversion du charbon en hydrogène. [5] Les MCFC ont également des rendements relativement élevés. Ils peuvent atteindre un rendement carburant-électricité de 50 %, considérablement plus élevé que le rendement de 37 à 42 % d'une usine de piles à combustible à l'acide phosphorique. Les rendements peuvent atteindre 65 % lorsque la pile à combustible est associée à une turbine et 85 % si la chaleur est captée et utilisée dans un système de cogénération (CHP). [50]

FuelCell Energy, un fabricant de piles à combustible basé au Connecticut, développe et vend des piles à combustible MCFC. La société affirme que ses produits MCFC vont de systèmes de 300 kW à 2,8 MW qui atteignent une efficacité électrique de 47 % et peuvent utiliser la technologie de cogénération pour obtenir des efficacités globales plus élevées. Un produit, le DFC-ERG, est associé à une turbine à gaz et, selon l'entreprise, il atteint un rendement électrique de 65 %. [52]

Pile à combustible à accumulation électrique Modifier

La pile à combustible à stockage électrique est une batterie conventionnelle rechargeable par entrée d'énergie électrique, en utilisant l'effet électrochimique conventionnel. Cependant, la batterie comprend en outre des entrées d'hydrogène (et d'oxygène) pour charger alternativement la batterie chimiquement. [53]

Comparaison des types de piles à combustible Modifier

Nom de la pile à combustible Électrolyte Puissance qualifiée (W) Température de fonctionnement (°C) Efficacité Statut Coût (USD/W)
Cellule Système
Pile à combustible à hydrure métallique Solution alcaline aqueuse > −20
(50% PPic @ 0 °C)
Commercial / Recherche
Pile à combustible électrogalvanique Solution alcaline aqueuse < 40 Commercial / Recherche
Pile à combustible à acide formique direct (DFAFC) Membrane polymère (ionomère) < 50 W < 40 Commercial / Recherche
Batterie zinc-air Solution alcaline aqueuse < 40 Production de masse
Pile à combustible microbienne Membrane polymère ou acide humique < 40 Recherche
Pile à combustible microbienne à flux ascendant (UMFC) < 40 Recherche
Pile à combustible régénérative Membrane polymère (ionomère) < 50 Commercial / Recherche
Pile à combustible borohydrure direct Solution alcaline aqueuse 70 Commercial
Pile à combustible alcaline Solution alcaline aqueuse 10–200 kW < 80 60–70% 62% Commercial / Recherche
Pile à combustible directe au méthanol Membrane polymère (ionomère) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Commercial / Recherche 125
Pile à combustible au méthanol reformée Membrane polymère (ionomère) 5 W - 100 kW 250-300 (réformateur)
125-200 (PBI)
50–60% 25–40% Commercial / Recherche
Pile à combustible à éthanol direct Membrane polymère (ionomère) < 140 mW/cm² > 25
? 90–120
Recherche
Pile à combustible à membrane échangeuse de protons Membrane polymère (ionomère) 1 W - 500 kW 50-100 (Nafion) [55]
120-200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Commercial / Recherche 50–100
Pile à combustible redox (RFC) Electrolytes liquides avec navette redox et membrane polymère (ionomère) 1 kW – 10 MW Recherche
Pile à combustible à acide phosphorique Acide phosphorique fondu (H3Bon de commande4) < 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Cogénération : 90 %
Commercial / Recherche 4.00–4.50
Pile à combustible à acide solide Sel d'oxyanion conducteur H + (acide solide) 10W - 1kW 200–300 55–60% 40–45% Commercial / Recherche
Pile à combustible à carbonate fondu Carbonate alcalin fondu 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Commercial / Recherche
Pile à combustible tubulaire à oxyde solide (TSOFC) Oxyde céramique conducteur O 2− < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Commercial / Recherche
Pile à combustible céramique protonique Oxyde céramique conducteur H+ 700 Recherche
Pile à combustible directe au carbone Plusieurs différents 700–850 80% 70% Commercial / Recherche
Pile à combustible planaire à oxyde solide Oxyde céramique conducteur O 2− < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Commercial / Recherche
Biopiles enzymatiques Tout ce qui ne dénaturera pas l'enzyme < 40 Recherche
Pile à combustible magnésium-air Eau salée −20 à 55 90% Commercial / Recherche

Glossaire des termes du tableau :

Efficacité maximale théorique Modifier

L'efficacité énergétique d'un système ou d'un dispositif qui convertit l'énergie est mesurée par le rapport de la quantité d'énergie utile produite par le système (« énergie de sortie ») à la quantité totale d'énergie qui est injectée (« énergie d'entrée ») ou par l'énergie utile de sortie en pourcentage de l'énergie totale d'entrée. Dans le cas des piles à combustible, l'énergie utile de sortie est mesurée en énergie électrique produite par le système. L'énergie d'entrée est l'énergie stockée dans le carburant. Selon le département américain de l'Énergie, les piles à combustible ont généralement un rendement énergétique compris entre 40 et 60 %. [61] C'est plus élevé que certains autres systèmes de production d'énergie. Par exemple, le moteur à combustion interne typique d'une voiture est écoénergétique d'environ 25 %. [62] Dans les systèmes de cogénération (CHP), la chaleur produite par la pile à combustible est captée et utilisée, augmentant l'efficacité du système jusqu'à 85-90%. [5]

L'efficacité maximale théorique de tout type de système de production d'électricité n'est jamais atteinte dans la pratique, et il ne prend pas en compte les autres étapes de la production d'électricité, telles que la production, le transport et le stockage de carburant et la conversion de l'électricité en énergie mécanique. Cependant, ce calcul permet de comparer différents types de production d'électricité. L'efficacité maximale théorique d'une pile à combustible approche 100 %, [63] tandis que l'efficacité maximale théorique des moteurs à combustion interne est d'environ 58 %. [64]

En pratique Modifier

Dans un véhicule à pile à combustible, le rendement du réservoir à la roue est supérieur à 45 % à faible charge [65] et affiche des valeurs moyennes d'environ 36 % lorsqu'un cycle de conduite comme le NEDC (New European Driving Cycle) est utilisé comme procédure de test. . [66] La valeur NEDC comparable pour un véhicule diesel est de 22 %. En 2008, Honda a lancé un véhicule électrique à pile à combustible de démonstration (le Honda FCX Clarity) avec une pile à combustible revendiquant une efficacité de 60 % du réservoir à la roue. [67]

Il est également important de prendre en compte les pertes dues à la production, au transport et au stockage du carburant. Les véhicules à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène comprimé peuvent avoir un rendement moteur-roue de 22 % si l'hydrogène est stocké sous forme de gaz à haute pression et de 17 % s'il est stocké sous forme d'hydrogène liquide. [68] Les piles à combustible ne peuvent pas stocker l'énergie comme une batterie, [69] sauf sous forme d'hydrogène, mais dans certaines applications, telles que les centrales électriques autonomes basées sur des sources discontinues telles que l'énergie solaire ou éolienne, elles sont combinées avec des électrolyseurs et des systèmes de stockage pour former un système de stockage d'énergie. En 2019, 90 % de l'hydrogène était utilisé pour le raffinage du pétrole, la production de produits chimiques et d'engrais, et 98 % de l'hydrogène est produit par reformage du méthane à la vapeur, qui émet du dioxyde de carbone. [70] L'efficacité globale (électricité en hydrogène et retour en électricité) de ces centrales (appelées efficacité aller-retour), l'utilisation d'hydrogène pur et d'oxygène pur peut être « de 35 à 50 % », selon la densité du gaz et d'autres conditions. [71] Le système électrolyseur/pile à combustible peut stocker des quantités indéfinies d'hydrogène et est donc adapté au stockage à long terme.

Les piles à combustible à oxyde solide produisent de la chaleur à partir de la recombinaison de l'oxygène et de l'hydrogène. La céramique peut chauffer jusqu'à 800 degrés Celsius. Cette chaleur peut être captée et utilisée pour chauffer de l'eau dans une application de micro-cogénération (m-CHP). Lorsque la chaleur est captée, le rendement total peut atteindre 80 à 90 % à l'unité, mais ne tient pas compte des pertes de production et de distribution. Les unités de cogénération sont actuellement développées pour le marché domestique européen.

Professeur Jeremy P. Meyers, dans la revue Electrochemical Society Interface en 2008, a écrit: "Bien que les piles à combustible soient efficaces par rapport aux moteurs à combustion, elles ne sont pas aussi efficaces que les batteries, principalement en raison de l'inefficacité de la réaction de réduction de l'oxygène (et de la réaction de dégagement d'oxygène, si l'hydrogène est formé par électrolyse de eau). [Ils] conviennent le mieux à un fonctionnement déconnecté du réseau ou lorsque le carburant peut être fourni en continu. Pour les applications qui nécessitent des démarrages fréquents et relativement rapides. comme entrepôts, et où l'hydrogène est considéré comme un réactif acceptable, une [pile à combustible PEM] devient un choix de plus en plus attrayant [si l'échange de batteries n'est pas pratique] ». [72] En 2013, les organisations militaires évaluaient les piles à combustible pour déterminer si elles pouvaient réduire considérablement le poids des batteries transportées par les soldats. [73]

Puissance Modifier

Les piles à combustible fixes sont utilisées pour la production d'énergie primaire et de secours commerciale, industrielle et résidentielle. Les piles à combustible sont très utiles comme sources d'énergie dans des endroits éloignés, tels que les engins spatiaux, les stations météorologiques éloignées, les grands parcs, les centres de communication, les zones rurales, y compris les stations de recherche, et dans certaines applications militaires. Un système de pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène peut être compact et léger et ne comporter aucune pièce mobile majeure. Parce que les piles à combustible n'ont pas de pièces mobiles et n'impliquent pas de combustion, dans des conditions idéales, elles peuvent atteindre une fiabilité de 99,9999%. [74] Cela équivaut à moins d'une minute de temps d'arrêt sur une période de six ans. [74]

Étant donné que les systèmes d'électrolyseur à pile à combustible ne stockent pas de carburant en eux-mêmes, mais reposent plutôt sur des unités de stockage externes, ils peuvent être appliqués avec succès dans le stockage d'énergie à grande échelle, les zones rurales en étant un exemple. [75] Il existe de nombreux types différents de piles à combustible fixes, donc les rendements varient, mais la plupart sont écoénergétiques entre 40 % et 60 %. [5] Cependant, lorsque la chaleur résiduelle de la pile à combustible est utilisée pour chauffer un bâtiment dans un système de cogénération, cette efficacité peut atteindre 85 %. [5] C'est nettement plus efficace que les centrales électriques au charbon traditionnelles, qui ne sont qu'environ un tiers écoénergétiques. [76] En supposant une production à grande échelle, les piles à combustible pourraient économiser 20 à 40 % sur les coûts énergétiques lorsqu'elles sont utilisées dans des systèmes de cogénération. [77] Les piles à combustible sont également beaucoup plus propres que la production d'électricité traditionnelle une centrale électrique à pile à combustible utilisant le gaz naturel comme source d'hydrogène créerait moins d'une once de pollution (autre que le CO
2 ) pour chaque 1 000 kW·h produit, comparativement à 25 livres de polluants générés par les systèmes de combustion conventionnels. [78] Les piles à combustible produisent également 97 % moins d'émissions d'oxydes d'azote que les centrales électriques au charbon classiques.

L'un de ces programmes pilotes fonctionne sur l'île Stuart dans l'État de Washington. Là, la Stuart Island Energy Initiative [79] a construit un système complet en boucle fermée : des panneaux solaires alimentent un électrolyseur qui produit de l'hydrogène. L'hydrogène est stocké dans un réservoir de 500 gallons américains (1 900 L) à 200 livres par pouce carré (1 400 kPa) et fait fonctionner une pile à combustible ReliOn pour fournir une alimentation électrique de secours complète à la résidence hors réseau. Une autre boucle de système fermée a été dévoilée fin 2011 à Hempstead, NY. [80]

Les piles à combustible peuvent être utilisées avec du gaz de mauvaise qualité provenant de décharges ou d'usines de traitement des eaux usées pour générer de l'électricité et réduire les émissions de méthane. Une centrale à piles à combustible de 2,8 MW en Californie serait la plus grande du type. [81] Des piles à combustible à petite échelle (inférieures à 5 kWh) sont en cours de développement pour une utilisation dans le déploiement résidentiel hors réseau. [82]

Cogénération Modifier

Les systèmes de pile à combustible de cogénération (CHP), y compris les microsystèmes de cogénération de chaleur et d'électricité (MicroCHP), sont utilisés pour générer à la fois de l'électricité et de la chaleur pour les maisons (voir pile à combustible domestique), les immeubles de bureaux et les usines. Le système génère une énergie électrique constante (revendant l'excès d'énergie au réseau lorsqu'il n'est pas consommé) et produit en même temps de l'air chaud et de l'eau à partir de la chaleur perdue. En conséquence, les systèmes de cogénération ont le potentiel d'économiser de l'énergie primaire car ils peuvent utiliser la chaleur résiduelle qui est généralement rejetée par les systèmes de conversion d'énergie thermique. [83] Une plage de capacité typique d'une pile à combustible domestique est de 1 à 3 kWel, 4–8 kWe. [84] [85] Les systèmes de cogénération liés aux refroidisseurs à absorption utilisent leur chaleur résiduelle pour la réfrigération. [86]

La chaleur perdue des piles à combustible peut être détournée pendant l'été directement dans le sol, fournissant un refroidissement supplémentaire tandis que la chaleur perdue pendant l'hiver peut être pompée directement dans le bâtiment. L'Université du Minnesota détient les droits de brevet de ce type de système [87] [88]

Les systèmes de cogénération peuvent atteindre un rendement de 85 % (40 à 60 % électrique et le reste sous forme thermique). [5] Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) constituent le plus grand segment de produits de cogénération existants dans le monde et peuvent fournir des rendements combinés proches de 90 %. [89] [90] Le carbonate fondu (MCFC) et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont également utilisés pour la production combinée de chaleur et d'électricité et ont des rendements énergétiques d'environ 60 %. [91] Les inconvénients des systèmes de cogénération comprennent des taux de montée et de descente lents, un coût élevé et une courte durée de vie. [92] [93] De plus, leur besoin d'avoir un réservoir d'eau chaude pour lisser la production de chaleur thermique était un sérieux inconvénient sur le marché domestique où l'espace dans les propriétés domestiques est très important. [94]

Les consultants de Delta-ee ont déclaré en 2013 qu'avec 64% des ventes mondiales, la chaleur et l'électricité micro-combinées à pile à combustible ont dépassé les systèmes conventionnels dans les ventes en 2012. [73] Le projet japonais ENE FARM passera 100 000 systèmes FC mCHP en 2014, 34.213 PEMFC et 2.224 SOFC ont été installés sur la période 2012-2014, 30 000 unités au GNL et 6 000 au GPL. [95]

Véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) Modifier

Automobiles Modifier

À la fin de 2019, environ 18 000 FCEV avaient été loués ou vendus dans le monde. [96] Trois véhicules électriques à pile à combustible ont été introduits pour la location commerciale et la vente : la Honda Clarity, la Toyota Mirai et la Hyundai ix35 FCEV. Les modèles de démonstration supplémentaires incluent la Honda FCX Clarity et la Mercedes-Benz F-Cell. [97] En juin 2011, les FCEV de démonstration avaient parcouru plus de 4 800 000 km (3 000 000 mi), avec plus de 27 000 ravitaillements. [98] Les véhicules électriques à pile à combustible ont une autonomie moyenne de 314 milles entre les ravitaillements. [99] Ils peuvent être ravitaillés en moins de 5 minutes. [100] Le programme de technologie des piles à combustible du département de l'Énergie des États-Unis indique qu'en 2011, les piles à combustible ont atteint un rendement de 53 à 59 % à un quart de la puissance et de 42 à 53 % du rendement du véhicule à pleine puissance, [101] et une durabilité de plus de 120 000 km (75 000 mi) avec moins de 10 % de dégradation.[102] Dans une analyse de simulation Well-to-Wheels de 2017 qui « ne tenait pas compte des contraintes économiques et du marché », General Motors et ses partenaires ont estimé que par kilomètre parcouru, un véhicule électrique à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène gazeux comprimé produit à partir de gaz naturel pourrait consommer environ 40 % moins d'énergie et émettre 45 % moins de gaz à effet de serre qu'un véhicule à combustion interne. [103]

En 2015, Toyota a présenté son premier véhicule à pile à combustible, le Mirai, au prix de 57 000 $. [104] Hyundai a introduit la production limitée Hyundai ix35 FCEV dans le cadre d'un contrat de location. [105] En 2016, Honda a commencé à louer la Honda Clarity Fuel Cell. [106] En 2020, Toyota a présenté la deuxième génération de sa marque Mirai, améliorant l'efficacité énergétique et élargissant l'autonomie par rapport au modèle original Sedan 2014. [107]

Critique Modifier

Certains commentateurs pensent que les voitures à pile à combustible à hydrogène ne deviendront jamais économiquement compétitives avec d'autres technologies [108] [109] [110] ou qu'il leur faudra des décennies pour devenir rentables. [72] [111] Elon Musk, PDG du constructeur de véhicules électriques à batterie Tesla Motors, a déclaré en 2015 que les piles à combustible utilisées dans les voitures ne seront jamais commercialement viables en raison de l'inefficacité de la production, du transport et du stockage de l'hydrogène et de l'inflammabilité de l'hydrogène. gaz, entre autres. [112]

En 2012, Lux Research, Inc. a publié un rapport qui déclarait : « Le rêve d'une économie de l'hydrogène n'est pas plus proche ». Il a conclu que "le coût en capital limitera l'adoption à seulement 5,9 GW" d'ici 2030, constituant "un obstacle presque insurmontable à l'adoption, sauf dans les applications de niche". L'analyse a conclu que, d'ici 2030, le marché des PEM stationnaires atteindra 1 milliard de dollars, tandis que le marché des véhicules, y compris les chariots élévateurs, atteindra un total de 2 milliards de dollars. [111] D'autres analyses citent l'absence d'une vaste infrastructure d'hydrogène aux États-Unis comme un défi permanent à la commercialisation des véhicules électriques à pile à combustible. [65]

En 2014, Joseph Romm, auteur de Le battage médiatique sur l'hydrogène (2005), ont déclaré que les FCV n'avaient toujours pas surmonté le coût élevé du carburant, le manque d'infrastructures de livraison de carburant et la pollution causée par la production d'hydrogène. « Il faudrait plusieurs miracles pour surmonter tous ces problèmes simultanément au cours des prochaines décennies. » [113] Il a conclu que l'énergie renouvelable ne peut pas être utilisée économiquement pour fabriquer de l'hydrogène pour une flotte de FCV « ni maintenant ni à l'avenir ». [108] L'analyste de Greentech Media est parvenu à des conclusions similaires en 2014. [114] En 2015, Technique propre énuméré certains des inconvénients des véhicules à pile à combustible à hydrogène. [115] De même Accélérateur de voiture. [116]

Une vidéo 2019 de Ingénierie réelle a noté que, malgré l'introduction de véhicules fonctionnant à l'hydrogène, l'utilisation de l'hydrogène comme carburant pour les voitures n'aide pas à réduire les émissions de carbone des transports. Les 95 % d'hydrogène encore produits à partir de combustibles fossiles libèrent du dioxyde de carbone, et la production d'hydrogène à partir de l'eau est un processus énergivore. Le stockage de l'hydrogène nécessite plus d'énergie soit pour le refroidir à l'état liquide, soit pour le mettre dans des réservoirs sous haute pression, et livrer l'hydrogène aux stations-service nécessite plus d'énergie et peut libérer plus de carbone. L'hydrogène nécessaire pour déplacer un FCV sur un kilomètre coûte environ 8 fois plus que l'électricité nécessaire pour déplacer un BEV sur la même distance. [117] Une évaluation de 2020 a conclu que les véhicules à hydrogène ne sont toujours efficaces qu'à 38 %, tandis que les véhicules électriques à batterie sont efficaces à 80 %. [118]

Autobus Modifier

En août 2011 [mise à jour] , il y avait environ 100 bus à pile à combustible en service dans le monde. [119] La plupart d'entre eux ont été fabriqués par UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics et Proton Motor. Les bus UTC avaient parcouru plus de 970 000 km (600 000 mi) en 2011. [120] Les bus à pile à combustible ont une économie de carburant de 39 % à 141 % supérieure à celle des bus diesel et des bus au gaz naturel. [103] [121]

En 2019, le NREL évaluait plusieurs projets de bus à pile à combustible en cours et prévus aux États-Unis [122]

Chariots élévateurs Modifier

Un chariot élévateur à pile à combustible (également appelé chariot élévateur à pile à combustible) est un chariot élévateur industriel à pile à combustible utilisé pour soulever et transporter des matériaux. En 2013, il y avait plus de 4 000 chariots élévateurs à pile à combustible utilisés dans la manutention de matériaux aux États-Unis, [123] dont 500 ont reçu un financement du DOE (2012). [124] [125] Les flottes de piles à combustible sont exploitées par diverses sociétés, dont Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (chez Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark et Whole Foods) et H-E-B Grocers. [126] L'Europe a démontré 30 chariots élévateurs à pile à combustible avec Hylift et l'a étendu avec HyLIFT-EUROPE à 200 unités, [127] avec d'autres projets en France [128] [129] et en Autriche. [130] Pike Research a prévu en 2011 que les chariots élévateurs à pile à combustible seraient le principal moteur de la demande d'hydrogène d'ici 2020. [131]

La plupart des entreprises en Europe et aux États-Unis n'utilisent pas de chariots élévateurs alimentés au pétrole, car ces véhicules fonctionnent à l'intérieur où les émissions doivent être contrôlées et utilisent à la place des chariots élévateurs électriques. [132] [133] Les chariots élévateurs à pile à combustible peuvent présenter des avantages par rapport aux chariots élévateurs à batterie car ils peuvent être ravitaillés en 3 minutes et ils peuvent être utilisés dans des entrepôts réfrigérés, où leurs performances ne sont pas dégradées par des températures plus basses. Les unités FC sont souvent conçues comme des remplacements instantanés. [134] [135]

Motos et vélos Modifier

En 2005, un fabricant britannique de piles à combustible à hydrogène, Intelligent Energy (IE), a produit la première moto fonctionnant à l'hydrogène appelée ENV (Emission Neutral Vehicle). La moto contient suffisamment de carburant pour fonctionner pendant quatre heures et parcourir 160 km (100 mi) dans une zone urbaine, à une vitesse maximale de 80 km/h (50 mph). [136] En 2004, Honda a développé une moto à pile à combustible qui utilisait la Honda FC Stack. [137] [138]

D'autres exemples de motos [139] et de vélos [140] qui utilisent des piles à combustible à hydrogène comprennent le scooter de la société taïwanaise APFCT [141] utilisant le système de ravitaillement de l'italien Acta SpA [142] et le scooter Suzuki Burgman avec une pile à combustible IE qui a reçu l'UE Approbation complète du type de véhicule en 2011. [143] Suzuki Motor Corp. et IE ont annoncé une coentreprise pour accélérer la commercialisation de véhicules à zéro émission. [144]

Avions Modifier

En 2003, le premier avion à hélice au monde entièrement propulsé par une pile à combustible a volé. La pile à combustible était une conception de pile qui permettait à la pile à combustible d'être intégrée aux surfaces aérodynamiques de l'avion. [145] Les véhicules aériens sans pilote (UAV) à pile à combustible comprennent un UAV à pile à combustible Horizon qui a établi la distance record parcourue pour un petit UAV en 2007. [146] Des chercheurs de Boeing et des partenaires industriels dans toute l'Europe ont mené des essais en vol expérimentaux en février 2008 un avion habité alimenté uniquement par une pile à combustible et des batteries légères. L'avion de démonstration à pile à combustible, comme on l'appelait, utilisait un système hybride pile à combustible/batterie lithium-ion à membrane échangeuse de protons (PEM) pour alimenter un moteur électrique, qui était couplé à une hélice conventionnelle. [147]

En 2009, le Ion Tiger du Naval Research Laboratory (NRL) a utilisé une pile à combustible à hydrogène et a volé pendant 23 heures et 17 minutes. [148] Les piles à combustible sont également testées et envisagées pour fournir une alimentation auxiliaire dans les avions, remplaçant les générateurs à combustible fossile qui étaient auparavant utilisés pour démarrer les moteurs et alimenter les besoins électriques à bord, tout en réduisant les émissions de carbone. [149] [150] [ échec de la vérification ] En 2016, un drone Raptor E1 a effectué un vol d'essai réussi en utilisant une pile à combustible plus légère que la batterie lithium-ion qu'il a remplacée. Le vol a duré 10 minutes à une altitude de 80 mètres (260 pieds), bien que la pile à combustible aurait eu assez de carburant pour voler pendant deux heures. Le carburant était contenu dans environ 100 pastilles solides de 1 centimètre carré (0,16 pouce carré) composées d'un produit chimique breveté dans une cartouche non pressurisée. Les granulés sont physiquement robustes et fonctionnent à des températures allant jusqu'à 50 °C (122 °F). La cellule provenait d'Arcola Energy. [151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker est un drone électrique alimenté par une pile à combustible à oxyde solide. [152]

Bateaux Modifier

Le premier bateau à pile à combustible au monde HYDRA utilisait un système AFC d'une puissance nette de 6,5 kW. Amsterdam a introduit des bateaux à pile à combustible qui transportent les gens autour des canaux de la ville. [153]

Sous-marins Modifier

Les sous-marins de type 212 des marines allemande et italienne utilisent des piles à combustible pour rester immergés pendant des semaines sans avoir besoin de faire surface.

L'U212A est un sous-marin non nucléaire développé par le chantier naval allemand Howaldtswerke Deutsche Werft. [154] Le système se compose de neuf piles à combustible PEM, fournissant chacune entre 30 kW et 50 kW. Le navire est silencieux, ce qui lui donne un avantage dans la détection des autres sous-marins. [155] Un article de la marine a théorisé sur la possibilité d'un hybride de pile à combustible nucléaire dans lequel la pile à combustible est utilisée lorsque des opérations silencieuses sont requises, puis reconstituée à partir du réacteur nucléaire (et de l'eau). [156]

Systèmes d'alimentation portables Modifier

Les systèmes de piles à combustible portables sont généralement classés comme pesant moins de 10 kg et fournissant une puissance inférieure à 5 kW. [157] La ​​taille potentielle du marché des piles à combustible plus petites est assez importante avec un taux de croissance potentiel pouvant atteindre 40 % par an et une taille de marché d'environ 10 milliards de dollars, ce qui a conduit à consacrer de nombreuses recherches au développement de piles portables. . [158] Au sein de ce marché, deux groupes ont été identifiés. Le premier est le marché des micropiles à combustible, dans la gamme 1-50 W pour alimenter les petits appareils électroniques. La seconde est la gamme de générateurs de 1 à 5 kW pour la production d'électricité à plus grande échelle (par exemple, avant-postes militaires, champs de pétrole éloignés).

Les micropiles à combustible visent principalement à pénétrer le marché des téléphones et des ordinateurs portables. Cela peut être principalement attribué à la densité d'énergie avantageuse fournie par les piles à combustible par rapport à une batterie lithium-ion, pour l'ensemble du système. Pour une batterie, ce système comprend le chargeur ainsi que la batterie elle-même. Pour la pile à combustible, ce système comprendrait la pile, le combustible nécessaire et les accessoires périphériques. En prenant en compte l'ensemble du système, il a été démontré que les piles à combustible fournissent 530 Wh/kg contre 44 Wh/kg pour les batteries lithium-ion. [158] Cependant, alors que le poids des systèmes à pile à combustible offre un avantage certain, les coûts actuels ne sont pas en leur faveur. alors qu'un système de batterie coûte généralement environ 1,20 $ par Wh, les systèmes à pile à combustible coûtent environ 5 $ par Wh, ce qui les désavantage considérablement. [158]

À mesure que la demande d'énergie pour les téléphones portables augmente, les piles à combustible pourraient devenir des options beaucoup plus attrayantes pour une production d'électricité plus importante. La demande de plus de temps sur les téléphones et les ordinateurs est souvent demandée par les consommateurs, de sorte que les piles à combustible pourraient commencer à faire des progrès sur les marchés des ordinateurs portables et des téléphones portables. Le prix continuera de baisser à mesure que le développement des piles à combustible continue de s'accélérer. Les stratégies actuelles pour améliorer les micropiles à combustible passent par l'utilisation de nanotubes de carbone. Il a été montré par Girishkumar et al. que le dépôt de nanotubes sur les surfaces des électrodes permet d'avoir une surface sensiblement plus grande augmentant le taux de réduction de l'oxygène. [159]

Les piles à combustible destinées à des opérations à plus grande échelle sont également très prometteuses. Les systèmes d'alimentation portables qui utilisent des piles à combustible peuvent être utilisés dans le secteur des loisirs (c.-à-d. VR, cabines, marine), le secteur industriel (c. secteur militaire. SFC Energy est un fabricant allemand de piles à combustible au méthanol direct pour une variété de systèmes d'alimentation portables. [160] Ensol Systems Inc. est un intégrateur de systèmes d'alimentation portables utilisant le SFC Energy DMFC. [161] Le principal avantage des piles à combustible sur ce marché est la grande production d'énergie par poids. Alors que les piles à combustible peuvent être coûteuses, pour les emplacements éloignés qui nécessitent une énergie fiable, les piles à combustible détiennent une grande puissance. Pour une excursion de 72 heures, la comparaison en poids est substantielle, avec une pile à combustible ne pesant que 15 livres contre 29 livres de batteries nécessaires pour la même énergie. [157]

Autres applications Modifier

  • L'alimentation électrique des stations de base ou des sites cellulaires[162][163] est un type de système de pile à combustible, qui peut inclure un éclairage, des générateurs et d'autres appareils, pour fournir des ressources de secours en cas de crise ou en cas de défaillance des systèmes réguliers. Ils trouvent des utilisations dans une grande variété de contextes, des maisons d'habitation aux hôpitaux, laboratoires scientifiques, centres de données, [164]
  • équipements de télécommunication [165] et navires de guerre modernes.
  • Une alimentation électrique ininterrompue (UPS) fournit une alimentation de secours et, en fonction de la topologie, fournit également une régulation de ligne à l'équipement connecté en fournissant une alimentation à partir d'une source distincte lorsque l'alimentation secteur n'est pas disponible. Contrairement à un générateur de secours, il peut fournir une protection instantanée contre une coupure de courant momentanée. , en associant la pile à combustible à un ICE ou à une batterie. pour les applications où la charge CA peut ne pas être facilement disponible.
  • Stations de charge portables pour les petits appareils électroniques (par exemple, un clip de ceinture qui charge un téléphone portable ou un PDA). , ordinateurs portables et tablettes.
  • Petits appareils de chauffage [166] , obtenus en évacuant l'oxygène et en maintenant automatiquement l'épuisement en oxygène dans un conteneur d'expédition, contenant, par exemple, du poisson frais. [167] , où la quantité de tension générée par une pile à combustible est utilisée pour déterminer la concentration de combustible (alcool) dans l'échantillon. [168] , capteur électrochimique.

Stations de ravitaillement Modifier

Selon FuelCellsWorks, un groupe industriel, fin 2019, 330 stations de ravitaillement en hydrogène étaient ouvertes au public dans le monde. [169] En juin 2020, 178 stations d'hydrogène accessibles au public étaient en service en Asie. [170] 114 d'entre eux se trouvaient au Japon. [171] Il y avait au moins 177 stations en Europe, et environ la moitié d'entre elles étaient en Allemagne. [172] [173] Il y avait 44 stations accessibles au public aux États-Unis, dont 42 étaient situées en Californie. [174]

Une station de ravitaillement en hydrogène coûte entre 1 et 4 millions de dollars à construire. [175]

En 2012, les revenus de l'industrie des piles à combustible ont dépassé la valeur marchande d'un milliard de dollars dans le monde, les pays du Pacifique asiatique expédiant plus des 3/4 des systèmes de piles à combustible dans le monde. [176] Cependant, en janvier 2014, aucune entreprise publique du secteur n'était encore devenue rentable. [177] Il y avait 140 000 piles à combustible expédiées dans le monde en 2010, contre 11 000 expéditions en 2007, et de 2011 à 2012, les expéditions mondiales de piles à combustible ont connu un taux de croissance annuel de 85 %. [178] Tanaka Kikinzoku a agrandi ses installations de fabrication en 2011. [179] Environ 50 % des expéditions de piles à combustible en 2010 étaient des piles à combustible fixes, contre environ un tiers en 2009, et les quatre principaux producteurs de l'industrie des piles à combustible étaient les États-Unis. États-Unis, Allemagne, Japon et Corée du Sud. [180] La Solid State Energy Conversion Alliance du Department of Energy a constaté qu'en janvier 2011, les piles à combustible fixes produisaient de l'électricité à environ 724 $ à 775 $ par kilowatt installé. [181] En 2011, Bloom Energy, un important fournisseur de piles à combustible, a déclaré que ses piles à combustible généraient de l'électricité à 9 à 11 cents le kilowattheure, y compris le prix du carburant, de l'entretien et du matériel. [182] [183]

Les groupes industriels prédisent qu'il existe des ressources de platine suffisantes pour la demande future, [184] et en 2007, des recherches au laboratoire national de Brookhaven ont suggéré que le platine pourrait être remplacé par un revêtement or-palladium, qui pourrait être moins sensible à l'empoisonnement et ainsi améliorer la pile à combustible. durée de vie. [185] Une autre méthode utiliserait du fer et du soufre au lieu du platine. Cela réduirait le coût d'une pile à combustible (car le platine dans une pile à combustible ordinaire coûte environ 1 500 $ US et la même quantité de fer ne coûte que 1,50 $ US environ). Le concept a été développé par une coalition du Centre John Innes et de l'Université de Milan-Bicocca. [186] Les cathodes PEDOT sont immunisées contre l'empoisonnement au monoxyde. [187]

En 2016, Samsung "a décidé d'abandonner les projets commerciaux liés aux piles à combustible, car les perspectives du marché ne sont pas bonnes". [188]


Tableau des températures de flamme pour différents combustibles

  • Chimie
    • Chimie physique
    • Notions de base
    • Lois chimiques
    • Molécules
    • Tableau périodique
    • Projets & Expériences
    • Méthode scientifique
    • Biochimie
    • Chimie médicale
    • La chimie au quotidien
    • Chimistes célèbres
    • Activités pour les enfants
    • Abréviations et acronymes
    • Ph.D., Sciences biomédicales, Université du Tennessee à Knoxville
    • B.A., Physique et Mathématiques, Hastings College

    Il s'agit d'une liste de températures de flamme pour divers combustibles courants. Des températures de flamme adiabatiques pour les gaz courants sont fournies pour l'air et l'oxygène. (Pour ces valeurs, la température initiale de l'air, du gaz et de l'oxygène est de 20 °C.) Le MAPP est un mélange de gaz, principalement du méthylacétylène et du propadiène avec d'autres hydrocarbures. Vous en aurez le plus pour votre argent, relativement parlant, de l'acétylène dans l'oxygène (3100°C) et soit de l'acétylène (2400°C), de l'hydrogène (2045°C) ou du propane (1980°C) dans l'air.


    Méthodes dans le métabolisme du méthane, partie A

    Katharina Schlegel , Volker Müller , dans Methods in Enzymology , 2011

    1. Introduction

    Les archées méthanogènes poussent sur un nombre limité de C1 substrats, tels que le méthanol, les méthylamines, le formiate, et certains peuvent également utiliser de l'acétate ( Deppenmeier, 2002 Ferry, 1997 Thauer et al., 2008 ). Au cœur de toutes ces voies se trouve la voie Wood-Ljundahl ( Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008 ). Pendant la croissance sur H2 + CO2, CO2 est d'abord lié au méthanefurane et ainsi réduit en un groupe formyle (Fig. 12.1). Cette réaction endergonique est catalysée par la formylméthanofurane déshydrogénase et entraînée par le gradient électrochimique d'ions à travers la membrane ( Kaesler et Schönheit, 1989 Winner et Gottschalk, 1989 ). Le groupe formyle est transféré à la tétrahydrométhanoptérine (H4MPT) et réduit en un groupe méthyle. Ce groupe méthyle est transféré au cofacteur M (CoM-SH) par le méthyl-H4MPT:HS-CoM méthyltransférase. Cette réaction exergonique (Δg0′ = − 29 kJ/mol) est utilisé pour transférer 1,7 Na + /CH4 sur la membrane et génère ainsi un gradient primaire et électrogène de Na + à travers la membrane ( Becher et al., 1992b Gottschalk et Thauer, 2001 Liénard et al., 1996 Muller et al., 1987 ). Dans l'étape suivante, le méthyl-CoM subit une attaque nucléophile par l'anion thiolate de HS-CoB (Coenzyme B, 7-thioheptanoyl-o-phosho- l -thréonine), libérant ainsi CH4 et générant un disulfure de CoM et CoB, le soi-disant hétérodisulfure. L'hétérodisulfure est l'accepteur d'électrons terminal dans la méthanogenèse et est réduit et ainsi clivé par une hétérodisulfure réductase liée à la membrane. Les électrons nécessaires à cette réaction sont fournis par F420 (pendant la croissance sur des substrats méthylés), une hydrogénase liée à la membrane (pendant la croissance sur H2 + CO2) ou de la ferredoxine (au cours de la croissance sur acétate) et transférée via une chaîne de transport d'électrons. Dans cette réaction, trois à quatre H + sont transloqués sur la membrane ( Blaut et al., 1987 Deppenmeier et al., 1990 ).

    Graphique 12.1. Courants ioniques au cours de la méthanogenèse à partir de H2 + CO2. Veuillez noter que ce modèle ne décrit que le cheminement dans M. mazei et M. barkeri. M. acetivorans ne contient pas d'hydrogénases. (1) Ech/Eha hydrogénase (2) Na + /H + antiporteur (3) méthyl-H4MPT coenzyme M méthyltransférase (4) H2: système hétérodisulfure oxydoréductase (5) A1UNEO ATP synthase MF, méthanofurane H4MPT, tétrahydrométhanoptérine CoM-SH, coenzyme M CoB-SH, coenzyme B Fd, ferredoxine.

    Au cours de la croissance sur des substrats contenant des groupes méthyle, les groupes méthyle sont canalisés vers CoM-SH par des méthyltransférases spécifiques. Un quart du groupe méthyle est oxydé en CO2 obtenir les équivalents réducteurs pour réduire les 75 % restants en méthane ( Deppenmeier, 2002 van der Meijden et al., 1983 Fig. 12.2 ). La méthanogenèse à partir de l'acétate commence par l'activation de l'acétate en acétyl-CoA, suivie d'une oxydation de l'acétyl-CoA en CO2 et un groupe méthyle lié à un coenzyme qui est réduit en CH4 avec les électrons gagnés lors de la réaction d'oxydation ( Ferry, 1997 Terlesky et Ferry, 1988 Thauer, 1990 ).

    Graphique 12.2 . Courants ioniques au cours de la méthanogenèse à partir du méthanol. Veuillez noter que ce modèle ne décrit que le cheminement dans M. mazei et M. barkeri. M. acetivorans ne contient pas d'hydrogénase Ech mais un complexe Rnf. Les électrons de l'hydrogène produit par l'hydrogénase Ech/Eha sont finalement transférés à l'hétérodisulfure réductase. C'est encore un sujet de débat si cela se produit via un F soluble420 l'hydrogénase réductrice ou directement par le H2: système hétérodisulfure oxydoréductase. (1) Ech/Eha hydrogénase (2) Na + /H + antiporteur (3) méthyl-H4MPT-coenzyme M méthyltransférase (4) F420: système hétérodisulfure oxydoréductase (5) A1UNEO ATP synthase MF, méthanofurane H4MPT, tétrahydrométhanoptérine CoM-SH, coenzyme M CoB-SH, coenzyme B Fd, ferredoxine.

    Une caractéristique commune de la méthanogenèse trouvée dans tous les méthanogènes étudiés jusqu'à présent est son besoin en Na +. Na + est requis non seulement pour les cellules en croissance mais aussi par les cellules au repos pour la méthanogenèse, indiquant une implication de Na + dans l'une des étapes de la voie (Müller et al., 1986, 1988 Perski et al., 1981, 1982 ). En effet, il s'est avéré que le méthyl-H4SPT:HS-CoM-méthyltransférase est une pompe primaire Na + ( Becher et al., 1992a Müller et al., 1987 ). En dehors du motif Na + méthyl-H4MPT:HS-CoM-méthyltransférase, le système hétérodisulfure réductase est le moteur des protons. Ainsi, les méthanogènes sont les seuls organismes qui génèrent en même temps un gradient primaire de protons et d'ions sodium. Comment les deux forces motrices ioniques sont connectées à la synthèse d'ATP est encore un sujet de débat, mais l'A1UNEO L'ATP synthase est essentielle à la synthèse de l'ATP ( Deppenmeier et Müller, 2008 Müller et Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Saum et al., 2009 ).

    Dans ce chapitre, nous décrivons comment la dépendance au Na + de la croissance et de la méthanogenèse est analysée, comment le transport du Na + est mesuré dans les suspensions cellulaires et comment la synthèse de l'ATP ainsi que l'hydrolyse de l'ATP sont mesurées.


    Comportement des électrons

    Au niveau submoléculaire, la raison de la différence de niveaux d'énergie entre les réactifs et les produits, réside dans les configurations électroniques. Les atomes d'hydrogène ont chacun un électron. Ils se combinent en molécules de deux afin qu'ils puissent partager deux électrons (un chacun). En effet, la couche d'électrons la plus interne est à un état d'énergie inférieur (et donc plus stable) lorsqu'elle est occupée par deux électrons. Les atomes d'oxygène ont chacun huit électrons. Ils se combinent en molécules de deux en partageant quatre électrons de sorte que leurs couches d'électrons les plus externes soient entièrement occupées par huit électrons chacune. Cependant, un alignement d'électrons beaucoup plus stable se produit lorsque deux atomes d'hydrogène partagent un électron avec un atome d'oxygène. Seule une petite quantité d'énergie est nécessaire pour « pousser » les électrons des réactifs « hors » de leurs orbites afin qu'ils puissent se réaligner dans l'alignement le plus énergétiquement stable, formant une nouvelle molécule, H2O.


    Voir la vidéo: GRTgaz: Développer les écosystèmes régionaux de lhydrogène (Juin 2022).


Commentaires:

  1. Dwane

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  2. Dajind

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  3. Mudal

    Merci beaucoup pour l'explication, maintenant je sais.

  4. Kajigal

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  5. Machakw

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