Le carburant à hydrogène avec ses différents noms en tant que carburant propre, le carburant zéro carbone est le plus accessible et le plus futur des carburants. Le carburant est tout ce qui peut être amené à réagir avec d'autres substances pour libérer de l'énergie et la présence d'hydrogène dans les ressources domestiques telles que la biomasse, le gaz naturel, l'énergie nucléaire en fait le carburant du futur. Il peut même être produit à partir d'énergies renouvelables comme l'énergie solaire et éolienne. Toutes ces qualités se sont combinées pour en faire une option de carburant alternatif pour le transport, les applications de production d'électricité, les appareils électroniques portables et les systèmes d'alimentation de secours.
À bien des égards, l'hydrogène est le carburant parfait. C'est la combustion la plus propre et la plus efficace, créant une boucle énergétique renouvelable et sans danger pour l'environnement. L'hydrogène se combine chimiquement avec la plupart des éléments, il est donc utilisé comme produit chimique industriel dans un large éventail d'applications depuis de nombreuses années. Avec sa présence abondante, le mode de production s'avère être multiple. Passons à la production d'hydrogène.
Les technologies de rupture de la production d'hydrogène carburant
L'hydrogène est l'élément le plus simple en raison de sa composition chimique d'un seul proton et d'un électron, ce qui permet de réagir facilement avec diverses substances pour se transformer en une forme capable de résoudre certains problèmes majeurs du futur carburant. L'efficacité énergétique et l'impact environnemental de l'hydrogène dépendent uniquement de la façon dont il est produit. Il existe plusieurs méthodes utilisées dans les industries pour fabriquer du carburant à hydrogène. Peu d'entre eux sont évoqués ci-dessous :
Processus électrolytique : Cette méthode de séparation de l'eau en hydrogène et oxygène à l'aide d'un courant électronique est appelée électrolyse. Il est évident que l'électricité produite par des sources renouvelables, telles que l'énergie solaire ou éolienne, l'hydrogène résultant sera également considéré comme renouvelable et présente de nombreux avantages en termes d'émissions. Les projets de production d'électricité en hydrogène prennent leur envol, où l'excès d'électricité renouvelable, lorsqu'il est disponible, est utilisé pour produire de l'hydrogène par électrolyse.
Pyrolyse du méthane : La production d'hydrogène à l'aide de la pyrolyse du méthane au gaz naturel est un procédé récent « sans gaz à effet de serre » en une seule étape. Le développement de la production en volume à l'aide de cette méthode est la clé pour permettre une réduction plus rapide des émissions de carbone en utilisant l'hydrogène dans les processus industriels, le transport par camions lourds électriques à pile à combustible et la production d'électricité par turbine à gaz. La pyrolyse du méthane utilise du méthane CH4 barboté à travers le catalyseur de métal fondu à des températures élevées (1340 K, 1065°C ou 1950 °F) pour produire de l'hydrogène H2 gazeux non polluant en grand volume, à faible coût et produit du carbone solide non polluant C sans émission de gaz à effet de serre.
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 (g) ΔH° = 74 kJ/mol
La pyrolyse du méthane est en cours de développement et considérée comme appropriée pour la production commerciale d'hydrogène en vrac.
Reformage à la vapeur (méthode industrielle) : L'hydrogène est souvent produit à partir de gaz naturel, ce qui implique l'élimination de l'hydrogène des hydrocarbures à très haute température, 48 % de la production d'hydrogène provenant du reformage à la vapeur. L'hydrogène en vrac commercial est généralement produit par le reformage à la vapeur du gaz naturel avec libération de gaz à effet de serre dans l'atmosphère ou avec capture à l'aide du CSC et de l'atténuation du changement climatique. Le reformage à la vapeur est également connu sous le nom de procédé Bosch et est largement utilisé pour la préparation industrielle de l'hydrogène.
À des températures élevées (1000 1400 à 700 1100 K, 1300 à 2000 2 °C ou XNUMX XNUMX à XNUMX XNUMX °F), la vapeur réagit avec le méthane pour produire du monoxyde de carbone et du HXNUMX.
CH4 + H2O → CO + 3H2
Processus biologique : Les processus biologiques utilisent des microbes tels que des bactéries et des microalgues et peuvent produire de l'hydrogène par le biais de réactions biologiques. Dans la conversion de la biomasse microbienne, les microbes décomposent la matière organique comme la biomasse ou les eaux usées pour produire de l'hydrogène, tandis que dans les processus photobiologiques, les microbes utilisent la lumière du soleil comme source d'énergie.
Processus à énergie solaire : L'énergie solaire utilise essentiellement la lumière ou les radiations solaires pour former de l'hydrogène. Il existe essentiellement trois processus solaires de ce type : photobiologique, photoélectrochimique et thermochimique solaire. Les processus photobiologiques utilisent l'activité photosynthétique naturelle des bactéries et des algues vertes pour produire de l'hydrogène. Les processus photo-électrochimiques utilisent des semi-conducteurs spécialisés pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène. La production thermochimique solaire d'hydrogène utilise l'énergie solaire concentrée pour entraîner des réactions de fractionnement de l'eau, souvent avec d'autres espèces telles que les oxydes métalliques.
Applications pratiques dans l'industrie technologique
Applications dans l'industrie automobile
L'hydrogène est considéré comme le carburant alternatif pour l'industrie automobile en raison de son rendement élevé et de ses émissions de carbone nulles. L'utilisation de l'hydrogène dans les véhicules est un axe majeur de la recherche et du développement des piles à combustible. Dans des pays comme les États-Unis, ils ont également des stations de remplissage d'hydrogène. La plupart des véhicules alimentés à l'hydrogène sont des automobiles et des autobus urbains dotés d'un moteur électrique alimenté par une pile à combustible à hydrogène. Quelques-uns de ces véhicules brûlent directement de l'hydrogène. Le coût élevé des piles à combustible et la disponibilité limitée des stations de ravitaillement en hydrogène ont limité le nombre de véhicules fonctionnant à l'hydrogène. Même la pile à combustible à hydrogène est utilisée dans les trains en Allemagne et a découvert que dans les cinq prochaines années, elle pourrait atteindre la Grande-Bretagne, la France, l'Italie, le Japon et les États-Unis. Pour les véhicules à usage personnel, neuf des principaux constructeurs automobiles développent des véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène (FCEV) pour un usage personnel. Les modèles notables incluent la Toyota Mirai, la Honda Clarity, la Hyundai Nexo et la BMW.
Dans la production d'électricité
Les piles à combustible à hydrogène produisent de l'électricité en combinant des atomes d'hydrogène et d'oxygène. L'hydrogène réagit avec l'oxygène à travers une cellule électrochimique similaire à celle d'une batterie pour produire de l'électricité, de l'eau et de petites quantités de chaleur. De nombreux types de piles à combustible sont disponibles pour une large gamme d'applications. Les petites piles à combustible peuvent alimenter des ordinateurs portables et même des téléphones portables, ainsi que des applications militaires. Les grandes piles à combustible peuvent fournir de l'électricité pour l'alimentation de secours ou de secours dans les bâtiments et fournir de l'électricité dans des endroits qui ne sont pas connectés aux réseaux électriques.
En dehors de cela, l'hydrogène est également utilisé dans un certain nombre d'applications marines, d'applications spatiales et principalement dans la production d'énergie de secours.
Les défis posés par l'hydrogène comme carburant alternatif
Nous avons toujours entendu dire qu'une pièce de monnaie a deux faces, il en va de même avec le nouveau carburant du futur. En parlant de défis liés à l'utilisation de carburant à l'hydrogène dans les industries, beaucoup sont raisonnables et inévitables. Quelques-uns d'entre eux sont énumérés ci-dessous: -
Extraction d'hydrogène
En dépit d'être disponible en abondance dans l'univers, l'extraction est assez difficile. L'hydrogène n'existe pas seul et doit donc être extrait de l'eau par électrolyse ou séparé des combustibles fossiles carbonés. Ces deux processus nécessitent une quantité importante d'énergie pour être réalisés. Cette énergie peut être supérieure à celle obtenue à partir de l'hydrogène lui-même et être coûteuse.
Coût des matières premières et investissements supplémentaires
Pour extraire l’hydrogène, des métaux précieux comme le platine et l’iridium sont nécessaires comme catalyseurs et quelques électrolyseurs pour l’électrolyse. Toutes ces dépenses supplémentaires augmentent le coût de la matière première. Le coût élevé a dissuadé certains d’investir dans la pile à combustible à hydrogène. sans souci. Ces coûts doivent être réduits afin de faire des piles à combustible à hydrogène une source de carburant réalisable pour tous. Les piles à combustible à hydrogène nécessitent des investissements pour être développées au point de devenir une source d’énergie véritablement viable. Cela nécessitera également la volonté politique d’investir du temps et de l’argent dans le développement afin d’améliorer et de faire mûrir la technologie.
Infrastructures et stockage d'hydrogène
Les combustibles fossiles sont utilisés depuis des décennies, l'infrastructure pour cette alimentation électrique existe déjà. L'adoption à grande échelle de la technologie des piles à combustible à hydrogène pour les applications automobiles nécessitera une nouvelle infrastructure de ravitaillement pour la soutenir, bien que pour les applications à longue portée telles que celles pour les poids lourds et les camions de livraison, il est probable que le ravitaillement de bout en bout soit utilisé.
Le stockage et le transport de l'hydrogène sont plus complexes que ceux requis pour les combustibles fossiles. Cela implique des coûts supplémentaires à considérer pour les piles à combustible à hydrogène comme source d'énergie.
Le carburant à l'hydrogène est la meilleure option de carburant durable et alternatif pour un avenir proche et ses applications sont essentielles non seulement pour l'environnement, mais aussi pour la demande croissante de carburant. Les chercheurs et les entreprises innovantes devraient s'efforcer de rendre l'hydrogène disponible, tout comme l'eau, non seulement pour un usage industriel mais aussi pour un usage personnel.
Sheeba Chauhan
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