Plus tôt, nous avons parlé du mode de transport écologique des autobus électriques. Cependant, un point important n'a pas été mentionné: avec l'augmentation du nombre de véhicules électriques, les villes auront besoin de plus d'électricité, qui est souvent obtenue de manière dangereuse pour l'environnement. Heureusement, aujourd'hui, le monde a appris à obtenir de l'énergie à l'aide du vent, du soleil et même de l'hydrogène. Nous avons décidé de consacrer le nouveau matériau à la dernière des sources et de parler des caractéristiques de l'énergie hydrogène.
À première vue, l'hydrogène est un carburant idéal. Premièrement, c'est l'élément le plus commun dans l'Univers, et deuxièmement, lorsqu'il est brûlé, une grande quantité d'énergie est libérée et de l'eau se forme sans libérer de gaz nocifs. L'humanité reconnaît depuis longtemps les avantages de l'énergie hydrogène, mais n'est pas pressée de l'utiliser à grande échelle industrielle.
Piles à combustible à hydrogène
La première pile à combustible à hydrogène a été conçue par le scientifique anglais William Grove dans les années 30 du XIXe siècle. Grove a tenté de précipiter le cuivre à partir d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre sur une surface de fer et a remarqué que sous l'influence du courant électrique, l'eau se décompose en hydrogène et en oxygène. Après cette découverte, Grove et Christian Schönbein, qui ont travaillé en parallèle avec lui, ont démontré la possibilité de générer de l'énergie dans une pile à combustible hydrogène-oxygène à l'aide d'un électrolyte acide.
Plus tard, en 1959, Francis T. Bacon de Cambridge a ajouté une membrane échangeuse d'ions à la pile à combustible à hydrogène pour faciliter le transport des ions hydroxyde. Le gouvernement américain et la NASA se sont immédiatement intéressés à l'invention de Bacon. La pile à combustible mise à jour a été utilisée sur les vaisseaux spatiaux Apollo comme principale source d'énergie pendant leurs vols.
Pile à combustible à hydrogène du module de service Apollon, qui génère de l'électricité, de la chaleur et de l'eau pour les astronautes. Source: James Humphreys / Wikimedia CommonsMaintenant, une pile à combustible à hydrogène ressemble à une pile galvanique traditionnelle avec une seule différence: la substance pour la réaction n'est pas stockée dans la pile, mais est constamment fournie par l'extérieur. S'infiltrant à travers l'anode poreuse, l'hydrogène perd des électrons, qui entrent dans le circuit électrique, et les cations d'hydrogène traversent la membrane. De plus, à la cathode, l'oxygène attrape un proton et un électron externe, à la suite de quoi de l'eau est formée.
Le principe de fonctionnement de la pile à combustible à hydrogène. Source: Geek.comUne tension d'environ 0,7 V est supprimée d'une pile à combustible; par conséquent, les piles sont combinées en piles à combustible massives avec une tension et un courant de sortie acceptables. La tension théorique d'un élément hydrogène peut atteindre 1,23 V, mais une
partie de l'énergie passe en chaleur .
Du point de vue de l'énergie verte, les piles à combustible à hydrogène ont un rendement extrêmement élevé de 60%. A titre de comparaison: le rendement des meilleurs moteurs à combustion interne est de 35 à 40%. Pour les centrales solaires, le coefficient n'est que de 15 à 20%, mais il dépend fortement des conditions météorologiques. L'efficacité des meilleurs parcs éoliens à palettes atteint 40%, ce qui est comparable aux générateurs de vapeur, mais les éoliennes nécessitent également des conditions météorologiques appropriées et un entretien coûteux.
Comme nous pouvons le voir, dans ce paramètre, l'énergie hydrogène est la source d'énergie la plus attractive, mais néanmoins il existe un certain nombre de problèmes qui entravent son application en masse. Le plus important d'entre eux est le processus de production d'hydrogène.
Problèmes miniers
L'énergie hydrogène est respectueuse de l'environnement, mais pas autonome. Pour fonctionner, une pile à combustible a besoin d'hydrogène, qui ne se trouve pas sur Terre sous sa forme la plus pure. L'hydrogène doit être obtenu, mais toutes les méthodes actuellement existantes sont soit très coûteuses, soit inefficaces.
La
méthode la plus efficace en termes de quantité d'hydrogène reçue par unité d'énergie dépensée est
la conversion à la vapeur du gaz naturel . Le méthane est combiné avec de la vapeur d'eau à une pression de 2 MPa (environ 19 atmosphères, c'est-à-dire une pression à une profondeur d'environ 190 m) et une température d'environ 800 degrés, résultant en un gaz converti avec une teneur en hydrogène de 55 à 75%. D'énormes usines sont nécessaires pour la conversion de la vapeur, qui ne peut être appliquée qu'en production.
Un four tubulaire pour la conversion du méthane à la vapeur n'est pas le moyen le plus ergonomique de produire de l'hydrogène. Source: CTK-EuroUne méthode plus pratique et plus simple est l'électrolyse de l'eau. Lorsque le courant électrique traverse l'eau traitée, une série de réactions électrochimiques se produisent, à la suite de laquelle de l'hydrogène est formé. Un inconvénient important de cette méthode est la grande consommation d'énergie requise pour la réaction. C'est-à-dire que cela s'avère être une situation quelque peu étrange: pour obtenir de l'énergie hydrogène, vous avez besoin ... d'énergie. Afin d'éviter des coûts inutiles lors de l'électrolyse et d'économiser des ressources précieuses, certaines entreprises s'efforcent de développer des systèmes à cycle complet "électricité - hydrogène - électricité" dans lesquels l'énergie peut être obtenue sans recharge externe. Un exemple d'un tel système est le développement de Toshiba H2One.
Toshiba Mobile Power Station H2One
Nous avons développé la mini-centrale mobile H2One, qui convertit l'eau en hydrogène et l'hydrogène en énergie. Pour maintenir l'électrolyse, des batteries solaires y sont utilisées, et un excès d'énergie est accumulé dans les batteries et assure le fonctionnement du système en l'absence de soleil. L'hydrogène résultant est soit directement envoyé aux piles à combustible, soit envoyé pour être stocké dans un réservoir intégré. En une heure, l'électrolyseur H2One génère jusqu'à 2 m
3 d' hydrogène et fournit en sortie jusqu'à 55 kW. Jusqu'à 2,5 m
3 d' eau sont nécessaires pour la production de 1 m
3 d' hydrogène.
Jusqu'à présent, la station H2One n'est pas en mesure de fournir de l'électricité à une grande entreprise ou à la ville entière, mais son énergie sera suffisante pour le fonctionnement de petites zones ou organisations. En raison de sa mobilité, il peut être utilisé ainsi qu'une solution temporaire en cas de catastrophes naturelles ou de coupures de courant d'urgence. De plus, contrairement à un générateur diesel, qui nécessite du carburant pour un fonctionnement normal, une centrale à hydrogène n'a besoin que d'eau.
Désormais, Toshiba H2One n'est utilisé que dans quelques villes du Japon - par exemple, il fournit de l'électricité et de l'eau chaude à une
gare de la ville de Kawasaki.
Installation de H2One à KawasakiL'avenir de l'hydrogène
De nos jours, les piles à combustible à hydrogène fournissent de l'énergie aux banques d'alimentation portables, aux bus urbains avec voitures et au transport ferroviaire
(nous parlerons plus en détail de l'utilisation de l'hydrogène dans l'industrie automobile dans notre prochain article). Les piles à combustible à hydrogène se sont révélées de manière inattendue être une excellente solution pour les quadrocoptères - avec une masse similaire à celle d'une batterie, l'alimentation en hydrogène offre un temps de vol jusqu'à cinq fois plus long. Dans ce cas, le gel n'affecte en rien l'efficacité. Les drones expérimentaux à pile à combustible fabriqués par la société russe AT Energy ont été utilisés pour le tournage des Jeux olympiques de Sotchi.
Il est devenu connu qu'aux prochains Jeux Olympiques de Tokyo, l'hydrogène sera utilisé dans les voitures, dans la production d'électricité et de chaleur, et deviendra également la principale source d'énergie du village olympique. Pour cela, commandé par Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Dans la ville japonaise de Namie, l'une des plus grandes stations de production d'hydrogène au monde est en cours de construction. La station consommera jusqu'à 10 MW d'énergie reçue de sources "vertes", générant jusqu'à 900 tonnes d'hydrogène par an par électrolyse.
L'hydrogène est notre «réserve pour l'avenir», lorsque nous devrons abandonner complètement les combustibles fossiles et que les sources d'énergie renouvelables ne seront pas en mesure de couvrir les besoins de l'humanité. Selon les prévisions de Markets & Markets, la production mondiale d'hydrogène, qui est désormais de 115 milliards de dollars, passera à 154 milliards de dollars d'ici 2022. Mais dans un avenir proche, l'introduction massive de technologies est peu probable, il est encore nécessaire de résoudre un certain nombre de problèmes liés à la production et au fonctionnement de centrales électriques spéciales, et de réduire leur coût. . Lorsque les barrières technologiques seront surmontées, l'énergie hydrogène atteindra un nouveau niveau et, peut-être, sera aussi répandue que la traditionnelle ou l'hydroélectricité aujourd'hui.