Niveau : Quatrième
Chapitres : Proportionnalité, Grandeurs-quotient, Grandeurs-produit, Puissances
Inédit, publié le 07/02/2023
Parmi les énergies renouvelables aujourd’hui connues, on présente souvent celle issue de la production d’hydrogène (en abrégé : H2 pour « dihydrogène ») comme étant une des plus prometteuses. Propre, car ne rejetant que de l’eau via la « pile à combustible », elle fait l’objet d’intenses recherches pour en améliorer la performance. En effet, elle fait face, entre autres problèmes, à un défi majeur : si utiliser de l’hydrogène permet de produire de l’électricité de manière propre, produire de l’hydrogène de manière propre (via un procédé nommé « l’électrolyse de l’eau ») requiert malheureusement… beaucoup d’électricité. Prenons la mesure du défi dans ce problème.
On estime qu’à ce jour, utiliser, par exemple pour un moteur, 1 kg d’H2 produit via électrolyse de l’eau, requiert initialement 58,7 kWh (kilowattheure) d’énergie(1).
L’énergie est alors perdue progressivement dans trois étapes, avant d’être utilisée :
Etape 1 : La production d’H2 lors de l’électrolyse : 22,7 KWh sont perdus dans le procédé.
Etape 2 : La compression d’H2 (nécessaire pour le transport) : de l’énergie restante à l’étape précédente, 7,5% est encore perdue.
Etape 3 : La pile à combustible : de l’énergie restante à l’étape précédente, la moitié est à nouveau perdue.
Seule l’énergie restante à l’issue de ces trois étapes est véritablement utilisable.
1) Dans la production d’un kg d’H2 :
a) Quel est le pourcentage (arrondi au dixième près) d’énergie perdue dans le procédé d’électrolyse ?
b) Quelle est, en KWh, la quantité d’énergie perdue lors de la phase de compression ?
2) a) Calculer le rendement de l’utilisation de l’hydrogène produit par électrolyse, c’est-à-dire le rapport, en pourcentage, entre la quantité d’énergie restante utilisable (au bout des trois étapes) et l’énergie initiale.
b) Comparer ce rendement à celui de l’utilisation d’une batterie dans une voiture électrique, qui ne permet d’utiliser, au pire, que 60% de l’énergie initiale(2).
3) En 2030, l’objectif fixé par la France est de produire 1,07 x 106 tonnes d’H2 par an(3), principalement pour décarboner certaines industries et démarrer l’utilisation de l’hydrogène pour les transports.
Quelle serait, en TWh (térawattheure), l’énergie qui serait disponible par an grâce à ces 1,07 x 106 tonnes d’H2 (en sortie de pile à combustible)?
4) a) Calculer, en TWh, l’énergie qui serait nécessaire pour produire par an les 1,07 x 106 tonnes d’hydrogène visés.
b) On estime qu’un réacteur nucléaire a une puissance d’environ 1 GW.
On rappelle la formule:
Combien faudrait-il de réacteurs nucléaires pour produire l’électricité nécessaire afin atteindre l’objectif de production de H2 en 2030 ? (on prendra 1 année = 365 jours).
c) Sachant qu’il y a actuellement 56 réacteurs nucléaires en France, qui représentent la majeure partie de la production d’électricité du pays, qu’en pensez-vous ?
5) Que faudrait-il alors faire pour rendre la production et l’utilisation de l’hydrogène moins gourmande en énergie ? On pourra considérer les étapes précédemment citées.
Sources : (1) https://blog.romande-energie.ch/fr/comprendre-l-energie/152-hydrogene-transition-energetique
(2) https://www.fiches-auto.fr/articles-auto/voiture-electrique/s-2399-rendement-reel-des-voitures-electriques.php
(3) https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2022/12/Etude-trajectoire-FH-2022-Web-.pdf
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