Partie 2 : Recours au dihydrogène

Le domaine de la production électrique

Le dihydrogène est l’une solution des solutions de stockage et d’utilisation de l’énergie envisagée pour accompagner la transition énergétique (cf. Stratégie Nationale France 2030), et tout particulièrement le déploiement d’un modèle énergétique intégrant plus largement des ressources renouvelables. Parmi les déclinaisons possibles, on dénomme « power-to-H2-to-power » le fait de recourir au dihydrogène pour stocker momentanément de l’électricité lors de la production, pour en restituer en phase d’usage.

13. Établir la chaine énergétique de la technologie « Power-to-H2-to-power ». Vous considérerez comme énergie primaire l’énergie renouvelable de votre choix.

14. Au regard de cette chaîne énergétique, justifier l’affirmation suivante « Le dihydrogène, contrairement au pétrole, au charbon ou au gaz naturel, n’est pas une source d’énergie primaire : c’est un vecteur énergétique » [source Hydrogène bas-carbone : quels usages pertinents à moyen terme dans un monde décarboné ? Étude Carbone 4 – Octobre 2022].

On s’intéresse à présent au rendement de la pile à combustible (acronyme PAC) dont la réaction se fait dans le sens inverse de la réaction (1).

Considérons que la réaction dans la pile à combustible s’effectue à pression P=1 bar constante et à température extérieure Text = 25°C constante. Nous allons étudier la décharge de la pile qui permet de récupérer de l’énergie électrique en consommant les gaz pour générer de la vapeur d’eau.

15. Sachant que les pressions partielles des deux gaz sont constantes et égales à la pression standard du fait d’un apport continu en réactif, calculer le quotient réactionnel de cette réaction et en déduire l’enthalpie libre en fonction de l’avancement molaire de la réaction ξ.

16. Montrer que la variation d’enthalpie libre lors d’une réaction d’oxydoréduction d’avancement molaire ξ vérifie l’égalité suivante : ∆G = Wel − T ∆Sunivers où Wel est le travail électrique associé à cette réaction d’oxydoréduction et ∆Sunivers est la variation d’entropie de l’univers. Quelle est la valeur maximale de |Wel| et quand celle-ci est-elle atteinte ?

17. Les réactifs sont introduits dans le même réacteur pour réaliser la réaction (1), notons Q la chaleur générée par la réaction pour un avancement ξ dans le cas où le dihydrogène et le dioxygène sont directement mélangés ensemble (ie sans générer d’électricité). Exprimer Q en fonction de ξ et des données de l’énoncé.

18. On définit le rendement η de la pile lors de la décharge comme le rapport entre l’énergie électrique maximale fournie par la réaction d’oxydoréduction dans la pile et l’énergie fournie par la réaction lorsque les réactifs sont directement mélangés ensemble. Faire l’application numérique. Discuter les limites de cette définition du rendement en analysant la Figure 1.

19. Calculer le rendement total de la solution « Power-to-H2-to-power ».

Ce rendement est faible par rapport à celui d’un stockage par batterie dont l’efficacité de conversion est de l’ordre de 70%. Cependant, l’appréciation de l’intérêt de la chaîne « Power-to-H2-to-Power » pour un service ou un usage visé ne peut se réduire à la seule comparaison des rendements énergétiques. La recherche de l’optimum technique, économique, énergétique, environnemental et sociétal est à considérer à l’échelle du système global et du service rendu par celui-ci.