H2 et haute pression grâce à l'électrolyse de l'eau

[polhoney]

Bonjour,

Je m'étais faite une réflexion sur le moyen d'atteindre de hautes pressions par l'électrolyse de l'eau (je sais pertinemment que ce n'est pas le procédé le plus efficace). Je n'ai pas trouvé beaucoup de contenu sur le sujet sur internet (pas vraiment d'arguments pour, ni contre d'ailleurs). J'imagine que cela n'est pas aussi simple que sur le papier, d'où quelques interrogations au-delà de la réflexion initiale que j'expose ci-dessous.

L'idée de base est d'effectuer une électrolyse de l'eau dans un milieu fermé, constitué par 2 chambres isolées entre elles par le bain électrolytique lui-même. Je ne m'attarderais pas sur les différentes contraintes techniques pour garantir le bon fonctionnement et la sécurité, je vais donc passer directement aux questions d'ordre physique/thermodynamique que je me pose.

Electrolyse
Le bain est une solution de sulfate de sodium, pour sa neutralité. L'électrolyse génère du dihydrogène H2 à la cathode et du dioxygène O2 à l'anode, chaque gaz étant confiné dans sa chambre propre.

Thermodynamique
Les complications surviennent avec la pression et la température (les deux étant une conséquence du mode opératoire, la pression étant l'effet désiré, mais la montée en température ne l'étant pas). Pour simplifier le problème, je pars du principe que la température est contrôlée à T<100°C, ce qui assure l'eau à l'état liquide tout le long du processus (de plus, cette dernière n'étant pas pure, la température d'ébullition ne s'en trouve que repoussée). La pression quand à elle doit pouvoir monter à 150 bars.

Au-delà du diagramme de phases du dihydrogène, qui indique globalement un comportement gazeux aux pressions et températures désirées, je n'arrive pas à trouver d'informations sur la solubilité de ce dernier dans l'eau.

Pour résumer, et en prenant les paramètres les plus extrêmes envisagés actuellement:
- un ensemble gaz H2 + solution Na2SO4 + gaz O2 à 150 bars et 100 °C
- H2 et 02 ne sont jamais en contact direct et ne se mélangent pas, par contre ils sont potentiellement solubles dans le bain et donc peuvent être malgré tout en contact dans le bain
- H2 à l'état gazeux est en contact avec l'O2 dissout dans le bain
- 02 à l'état gazeux est en contact avec le H2 dissout dans le bain

=> Est-ce qu'il y a un risque avec la solubilité dans le bain du H2 et/ou du 02 ? l'idée étant de ne jamais envisager de mélange explosifs qui transformerait l'électrolyseur au mieux en fusée et au pire en explosif

=> De plus, pour avoir un volume de gaz initial dans chaque chambre, un gaz est injecté à pression ambiante (donc 1 bar) avant le processus d'électrolyse, du 02 est injecté dans la chambre à oxygène (donc pas de problème ici) et pour la chambre à hydrogène j'ai pensé utiliser du méthane. La concentration de ce gaz varie donc de 100% @ 1 bar jusqu'à environ <1% @ 150 bars en fin d'électrolyse. Est-ce que cette cohabitation peut poser problème (notamment pour les raisons évoquées dans ma question précédente) ? Le méthane étant partiellement soluble dans l'eau lui aussi, est-ce qu'il y a un risque de réaction avec le bain ? (acidification principalement dû à l'oxygène et aux ions OH-). Un autre gaz (relativement accessible) serait-il plus adapté ? CO2 (je ne pense pas en raison de sa solubilité dans l'eau)? N2 (je pense pas en raison de l'instabilité des composés liés à l'ammoniac) ? Evidemment, l'helium serait parfait mais reste un gaz d'exception dans ma démarche, pour cette raison il est à exclure.

=> Pour finir, il existe des traces d'huile lubrifiante dans la chambre à hydrogène (alcane de synthèse) car c'est un carter de moteur automobile qui est récupéré dans mon cas (et de manière générale, une lubrification de certaines pièces est nécessaire). Connaissant les problématiques de "dieselisation" (mélange sous pression d'hydrocarbure et d'oxygène, autoinflammable et détonnant), est-ce que l'oxygène dissout peut ici aussi poser des problèmes de sécurité ?

Voilà pour le résumé, merci de m'avoir lu jusqu'ici !
Pierre

PS: Pour couper court à toute remarque hors-sujet sur le procédé en lui-même comme étant peu performant, j'anticiperais sur les remarques suivantes : oui il est beaucoup plus simple et rentable de générer de l'hydrogène à pression ambiante et de le compresser ensuite, oui le dioxygène produit est un sous-produit inutile et donc correspond à de l'énergie gaspillée, oui le dihydrogène est un gaz dangereux car difficile à stocker, très inflammable et explosif en présence d'oxygène, oui l'helium est parfait pour plein de choses mais il est rare et relativement cher, donc ne correspond pas à la démarche de simplicité et d'accessibilité. Merci
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[LPFR]

Bonjour et bienvenu au forum.
Quel est le but de votre question ? Faire la manip pour de bon ?
Si c’est le cas, la discussion sera fermée. Elle tombe dans le cadre des manips dangereuses et qui ne sont pas acceptées dans ce forum.
Au revoir.

[polhoney]

Bonjour LPFR,

Non il ne s'agit pas de réaliser cette expérience, il s'agit simplement d'une réflexion sur sa faisabilité (sur laquelle je doute), n'ayant par exemple jamais vu de "compresseur à électrolyse" dans le commerce.

Par analogie, je prendrais le cas du traitement au chlore des grands bassins. Ces derniers sont traités à l'eau de javel ou à l'acide chlorhydrique. Néanmoins, il est interdit de stocker ces produits en grande quantité. Les industriels ont donc trouvé une parade, à savoir procéder par l'électrolyse de saumure afin de synthétiser l'eau de javel en fonction du besoin. Et cela malgré la gestions des déchets chimiques, l'énergie importante consommée, la complexité de la solution mise en oeuvre. Le procédé est faisable, il a un intérêt non nul, donc il est utilisé.

Le but de mes questions est de comprendre pourquoi le procédé ne semble pas viable, et/ou pourquoi les industriels ne l'ont pas adopté. Après s'il y a une mise en situation dans mon premier post, c'est surtout pour ne pas insister sur des aspects qui me semblent aisément maîtrisables. La problématique majeure (ou en tout cas celle sur laquelle j'ai du mal à raisonner faute de maîtriser toute le spectre de la physique/chimie) reste l'interaction entre gaz sous pression avec milieu aqueux.

Pour terminer, ni vous ni moi n'empêcherons bien sûr une personne de faire une électrolyse dans son garage, ou même simplement de mettre les doigts dans la prise 220V. Personnellement la dernière fois que j'ai fait une expérience de chimie c'était en 3ème, je pense que cela devrait vous rassurer sur mes intentions . Néanmoins, c'est vrai qu'il est utile de préciser ceci, histoire de ne pas inciter le chaland :
1°) ce n'est pas un procédé qui fonctionne en l'état, c'est avant tout une idée
2°) il est irréalisable de manière artisanale (on est loin du tube à essai...), les pressions que j'évoques sont énormes, le dihydrogène est déjà très difficile à stocker dans l'industrie malgré les moyens dont dispose cette dernière
3°) quand bien même il le serait (réalisable), il concerne des produits potentiellement dangereux dans des conditions clairement dangereuses

J'espère avoir été clair, et j'espère bien que quelqu'un m'éclaire sur ces interactions entre phase gazeuse et gaz dissous (car en résumé, mes 3 questions portent essentiellement sur ce point!).

Pierre

[LPFR]

Bonjour.
Dans ce cas, pouvez-vous nous expliquer ce que signifie cette phrase :

...
=> Pour finir, il existe des traces d'huile lubrifiante dans la chambre à hydrogène (alcane de synthèse) car c'est un carter de moteur automobile qui est récupéré dans mon cas...

Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[polhoney]

Cf. mise en situation, si je devais réaliser le dispositif c'est un carter de moteur automobile que j'utiliserais, qui est partiellement lubrifié avec de l'huile de synthèse. De plus, le raisonnement sous-jacent concerne un autre projet, sujet que je n'aborde pas ici car il s'agit effectivement d'expérimentation potentiellement risquées sans les précautions adéquates (mais sans rapport direct avec le sujet plus haut).

Au pire, on peut fermer ce post et je reposerais la question dénuée de tout contexte pratique, cela ne me pose pas de problème.

[Garion]

De toute façon pour éviter que le phénomène de vase communicant ne vide ton électrolyte, tu devras mettre aussi sous pression l'oxygène. Comme l'énergie pour mettre sous pression vient vient bien de quelque part, tu vas consommer plus d'électricité pour faire ton électrolyse, et ton supplément d'énergie va aussi servir à compresser l'oxygène, ce qui est inutile.
Tu vas donc probablement consommer plus qu'un système qui électrolyse à pression ambiante et qui compresse uniquement l'hydrogène.

[polhoney]

Bonjour Garion,

Effectivement comme tu le verras dans mes précédents posts, nous sommes du même avis, cf ma remarque prophétique "oui il est beaucoup plus simple et rentable de générer de l'hydrogène à pression ambiante et de le compresser ensuite", cf aussi ma remarque sur l'électrolyse de la saumure pour assainir les piscines, qui est un procédé coûteux en énergie mais néanmoins utilisé car répondant à d'autres contraintes, cette situation pourrait à priori concerner la compression d'un gaz tel que le dihydrogène.

Donc le mauvais rendement énergétique étant une contrainte principalement économique/écologique, mes questions restent entières