H2 versus piles pour le stockage d'électricité et la propulsion des véhicules.

Hydrogène, piles NiH2 et autres piles


L'électrolyseur agit comme une recharge de batterie, l'électricité transforme une espèce chimique, l'eau,en 2 espèces,le gaz hydrogene et le gaz oxygène qui portent de l'energie.
Il s’agit d’une pile a flux car l’eau qui rentre et les gaz H2 et O2 qui sortent ne sont pas contenus et ne restent pas dans la pile.


La pile hydrogène/ air dite pile a combustible, car l'hydrogène est quasiment le seul combustible qui soit utilise dans ce type de pile ,transforme l'hydrogène gazeux et l'oxygène de l'air en eau. Bouclant ainsi la boucle d'un cycle de l'eau.
La aussi il s’agit d’une pile à flux, les 2 fluides entrant et le fluide sortant sont echanges par la pile avec le milieu exterieur de la pile.

Si on prend une batterie qui se rapproche le plus du système a hydrogène,c'est la batterie NiH2 jadis utilisee sur la navette spatiale ou le télescope Hubble pour stocker de l'électricité produite par des cellules solaires pour la nuit ... qui ne dure que 1 heure, le temps que le satellite sorte de l'ombre de la terre.

Comme l'électrolyseur elle produit de l'hydrogène gazeux lors de la charge, cet hydrogène est stocke dans une enveloppe sous pression entourant la pile. La pression de l'hydrogène monte au fur a a mesure de la charge, la pression maximum utilisée est de 82.7bar.

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_nickel-hydrogène


Lors de la charge de l'hydrogène gazeux est produit a l'électrode positive tandis qu'a l'électrode négative de l'hydroxyde de nickel se transforme en oxyhydroxyde de nickel.

Ni (OH)2 est utilise a l'électrode négative ,comme dans la pile NiMH , nickel metal hydrure, ou l'hydrogène est stocke dans un hydrure de terre rare.
Il donne NiOOH et un cation H+, parfaitement analogue a l'eau dans l'électrolyseur qui se transforme en oxygène gazeux et en ions H+.

Lors de la décharge, les réactions se produisent en sens inverse et l'hydrogène est oxyde par l'oxyhydroxyde de nickel, et sa pression baisse dans la capacite qui entoure la pile. La réaction est tout a fait analogue a celle de la pile a combustible sauf que c'est l'oxygène de l'oxyhydroxyde de nickel qui oxyde l'hydrogène et non l'air et qu'il n'STLS
y a pas d'eau produite mais de l'hydroxyde de nickel.

En ecrivant la formule de l'hydroxyde de nickel sous la forme

NiO(H2O) on montre mieux l'analogie entre les 2 systèmes

on a a la charge

NiO(H2O) donne NiO1.5(H2O)0.5 et 0.5 H2

la moitié de l'"eau " de l' hydroxyde de nickel est convertie en oxygène qui se combine au nickel et en hydrogène gazeux.
La tension de la pile NiH2 est d'ailleurs de 1.25 volt analogue a celle de l'électrolyseur idéal (1.27 V pour de l'hydrogène et oxygène a 1 bar) .

Le mode de stockage de l'energie par de l'hydrogène gazeux est identique entre la pile NiH 2 et le couple électrolyseur / pile a combustible, mais il y a des différences entre les 2.

Bien que la réaction qui est produite dans la pile a combustible soit presque exactement (la seule différence c'est que dans la pile a combustible de l'air, mélange gazeux contenant 20% d'oxygène est utilise tandis que l'électrolyseur produit de l'oxygène pur) l'inverse de celle de l'électrolyseur, la pile n'est pas réversible pas plus que l'électrolyseur.

 Il faut 2 appareils pour mettre en œuvre l'hydrogène. En fait la réaction de la pile a combustible n'est pas tout a fait l'inverse de celle de l'électrolyseur car l'électrolyseur part d'eau liquide tandis que la pile produit de l'eau vapeur.

Dans la pile NiH2 l'hydrogène est produit a la pression du récipient qui entoure la pile, la tension de charge augmente d'ailleurs de 4% avec la pression de l'hydrogène, entre 2 bar et 87 bar.
Cette tension qui augmente correspond a l’energie pour comprimer l’hydrogene, c'est la pile elle même qui remplit,avec un rendement bien meilleur qu-e celui d’un compresseur,le récipient qui est son enveloppe. L’energie de pression d’hydrogéne est de plus récupérée à la décharge de la pile.

Avec le système a hydrogène, il faut un compresseur pour comprimer l'hydrogène en sortie de l'électrolyseur, vers 30 bar, pour le pousser vers un stockage qui économiquement est à haute pression, a 350 bar ou 700bar pour les véhicules, vers 250 bar pour les stockage fixes. L’energie de pression de l’hydrogene n’est pas récupérée, l’hydrogéne qui alimente la pile a combustible est « bêtement « détendu dans un détendeur.


La pile NiH2 remplace les 4 équipements du système a hydrogène électrolyseur, compresseur, stockage et pile a combustible.

La conversion de l'électricité en espèces chimiques portant l'énergie de la pile NiH2 se fait avec une efficacité énergétique de 90%, c’est a dire que l'on consomme en électricité 1/90% de l'énergie minimum théorique correspondant a la variation d'enthalpie libre de la réaction qui est produite.

La conversion de l'électricité en hydrogène et oxygène , qui est en général rejeté dans l'air , a une efficacité énergétique de 63% sur base de la variation de l'enthalpie libre de la réaction de décomposition de l'eau ( pour un excellent électrolyseur, un Mcphy Enertrag de 600kW)

La conversion des espèces chimiques en électricité lors de la décharge de la pile se fait aussi avec une efficacité énergétique de 90%, c'est à dire que l'on récupère en électricité 90% de la variation d'enthalpie libre de la réaction qui se produit.

La conversion de l'hydrogène et de l'oxygène de l'air en électricité se fait avec une efficacité énergétique par rapport à l'enthalpie libre de la réaction de formation de l'eau de 41 %, ceci pour une très bonne pile, celle de la Toyota Mirai.

On voit que avec la pile NiH2 on récupère a la décharge 90%*90% de l'énergie qui a servi a la charge soit un rendement de 81% encore meilleur que celui des station de pompage turbinage qui servent a stocker l'électricité a grande échelle (dans les 1000MW).

Avec le système a hydrogène on récupère en sortie de la pile a combustible 63%* 41% =26% de l'électricité qui a servi a électrolyser l'eau.
Pour une toute petite partie la raison de ce rendement mauvais est que l’électrolyseur électrolyse de l’eau liquide tandis que la pile a combustible produit de l’eau vapeur, la variation d’enthalpie libre pour la dissociation de l’eau liquide est 36.2kWh par kg d’hydrogène, la formation d’eau vapeur produit une variation d’enthalpie libre de 31 .6kWh, on a une perte de 13%. Une autre raison est que la pile utilise l’air dont la concentration en oxygène est 0.2, d’ou un effet de concentration qui diminue de 1.7% la variation d’enthalpie libre. Les 2 effets font que le rendement théorique maximum n’est pas de 100% mais de 85.5%, c’est encore 3.3 fois plus que le rendement réel.


Mais ce n'est pas tout, il faut de l'énergie pour comprimer l'hydrogène pour remplir le stockage à haute pression. Pour un stockage a 700 bar comme pour les véhicules, il faut pour alimenter le compresseur 4 % de l'électricité que consomme l'électrolyseur d'ou une efficacité de 26%/1.04 =25%.

Le système a hydrogène ne restitue que 1 quart de l'énergie électrique, contre 81% pour la pile NiH2.

Cette piètre efficacité est rédhibitoire pour les stockages fixes d'énergie électrique, ceci d'autant plus qu'avec 4 équipements au lieu d'un seul le système a pile est moins cher par kWh stocke et par kW émis que le stockage a hydrogène.

Notons que nous avons choisi la pile NiH2 dans notre comparaison car elle utilise le même composant a l'électrode positive que l'électrolyseur et la pile a combustible, l'hydrogène.

Cette pile avait été choisie dans les applications spatiales car elle permet un très grand nombre de cycles charge décharge ce qui est nécessaire quand la journée dure 2 heures comme dans les satellites d'orbite basse.
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Cette pile a aussi une très bonne efficacité en énergie décharge / charge, par contre elle a une capacité massique de 50Wh par kg ce qui est faible, comme les accumulateurs au plomb.

Cette pile n'est a ma connaissance pas utilisée a terre bien qu'une société envisage de l'utiliser pour les piles de véhicules.

Maintenant la pile la plus utilisée pour les véhicules, quasiment par toutes les marques, est la pile lithium ion, qui a une densité massique d'énergie de 270Wh par kg, un rendement énergétique décharge / charge un peu moins bon que NiH2 mais tout de même de 75%, plus de 3 fois mieux que le système a hydrogène, et un cout annonce de 100$ par kWh en 2020, ce qui me semble très optimiste.


Pour les stockages fixes d'électricité , le stockage a hydrogène qui est plus cher au kWh stocke et au kW émis que le système a hydrogène et qui consomme 3 fois plus d'électricité que les piles n'est quasiment utilise nulle part hors des petit prototype tel celui d'Ajaccio .

Par contre pour les véhicules l'hydrogène qui n'a que des inconvénients par rapport aux piles pour le stockage d'électricité, peut présenter des avantages.

On peut remplir un réservoir d'hydrogène en quelques minutes, tandis que pour les piles actuelles a lithium ion il faut au moins une demi heure pour charger a 80% la pile puis 2 heure 30mn pour la charger a 100%.
Par contre on a pas besoin de rester a cote du véhicule pendant la charge, on branche, on va prendre un café ou plus et en une demi heure on a fait 80% d'un plein.

Les piles portent l'oxydant qui est utilise pour oxyder le combustible.

Par exemple la pile NiH2 emporte lie au nickel, l'oxygène qui réagit avec l’hydrogène, or il faut 8 fois plus de poids d'oxygène que d'hydrogène pour produire de l’eau, la pile porte également des composants inertes pour la réaction, tel l'oxyde de nickel, la pile a combustible est un pile a flux pour l’électrode négative, elle prend son oxygène dans l'air.
 
Même si l'enveloppe des réservoirs d'hydrogène pèse 19 fois plus que l'hydrogène contenu et si le rendement d'un pile a combustible est 2 fois plus faible que celui de décharge d'une pile,le système a hydrogène a une plus grande densité énergétique que les piles .
Ainsi un kg d'hydrogène porte 33kWh par kg de variation d enthalpie libre, avec le poids de l'enveloppe cela réduit la densité a 1.65kWh par kg, avec le rendement de la pile cela réduit cette densité a 41%* 1.65= 676Wh par kg. Il fait en plus compter le poids de la pile a combustible qui est avec les auxiliaires, compresseur d'air et pompe a hydrogène de 1kW par kg ce qui fait pour une durée de fonctionnement de 5heures, 1kg de plus pour 5kWh d'énergie sur les moteurs électriques entrainant les roues du véhicule.
Pour 676Wh d'énergie électrique en sortie de la pile qui nécessitent 1 kg d ´hydrogène et d’enveloppe, il faut en plus 676/5= 0.1352 kg de pile.
Soit en tout 676Wh pour 1.1352 kg soit 600Wh par kg.

Ceci se compare avec la densité en énergie d'une pile lithium ion qui est de 270Wh par kg.

A poids égal l'autonomie avec l'hydrogène est plus du double de celle avec pile, mais elle est également 6 fois inférieure a celle d'un véhicule a hydrocarbure.

Enfin surtout autant une pile se charge a l'électricité autant l'hydrogène pour charger un véhicule n'est en général pas produit a partir d'électricité mais a partir d'hydrocarbures , ceci évite la conversion combustible électricité et la production d'hydrogène par électrolyse.
 
Dans ce cas la quantité d'hydrocarbure pour produire l'hydrogène avec rendement de 80% pour le reformage à la vapeur, et la distribution de l'hydrogène produit par camion au gas oil aux stations services, font qu'un véhicule a hydrogène produit a partir d'hydrocarbures consomme 21% d'hydrocarbures en plus qu'un véhicule a moteur a hydrocarbures et a donc une empreinte carbone 21% supérieure.

Par contre le véhicule lui même n'est pas polluant, le CO2 est produit par l'usine de production d'hydrogène par reformage a la vapeur et par les camions livrant l'hydrogène aux stations services.

On peut utiliser les hydrocarbures utilisés pour produire l’hydrogène et propulser le camion qui le livre, pour produire de l'électricité dans une centrale a cycle combine, dont le rendement est de 62%, et si on injecte cette électricité sur le réseau et on s'en sert pour charger des pile d'un véhicule.
 On aura un véhicule non polluant comme celui a hydrogène mais il consommera 39 % moins d'hydrocarbures qu’un système a hydrogène.