Electrolyse de l'eau par la méthode du condensateur

[migyonne]

Bonjour à tous!
J'aurais encore une petite expérience a vous proposer:

Un expérimentateur souhaite quantifier précisément une quantité de production de gaz
dihydrogène et dioxygène par électrolyse de l'eau.

Il peut utiliser, entre autres, deux méthodes:

La méthode 'classique':
Connaissant la tension, l'intensité du courant et en fixant un temps précis d'électrolyse,
il peut en déduire combien de moles d'eau seront décomposées...
Cependant, la conductivité de l'eau pouvant varier au cours du temps ou érosion/corrosion des électrodes,
la régularité de la production peut être facilement faussée...

La méthode 'du condensateur':
S'il souhaite plus de précision, il peut utiliser un condensateur
en créant le montage suivant:



Il lui suffit, alors et seulement, de disposer d'une alimentation a tension constante et de connaitre
la capacité du condensateur en Farad. Il n'a pratiquement même plus à se préoccuper du temps
que mettra l’opération puisqu'une fois chargé, plus aucun courant ne circulera dans le circuit.

Au départ de l'expérience, le condensateur est complètement déchargé.
Une fois le condensateur chargé à une tension précise (ou à sa charge complète), l'expérimentateur sait exactement combien de
quantité d'électricité a traversé le montage et donc en déduire la quantité de gaz produit..
Qu'en pensez-vous?
-----

[stefjm]

Bonjour,
C'est bizarre comme méthode.
Le condensateur va se charger à la tension de l'alimentation, en un certain temps qui dépend du bac d'électrolyse.
Une fois le condensateur chargé, le courant sera effectivement nul.

[Black Jack 2]

Bonjour,

a) Fuites du condensateur.
b) le voltmètre décharge le condensateur.
...

[migyonne]

Merci pour vos réponses!
Oui, rien n'est parfait!
Je vous donne des données. Si quelqu'un avait la bonté et le temps de me les confirmer ou corriger..

Notre électrolyte:
(eau salée, conductivité ~ = 56mS/cm (Siemens) = 17.8 Ohms)

Condensateur de 1 Farad (1000000 uF).

-Pour la charge du condensateur, je trouve une constante de temps de 17.8 secondes.
Au bout de 4 fois cette constante de temps, mon condensateur est chargé a 98%, soit ~ 71.2 secondes.
Il contient alors une énergie de 72 Joules ou 12 Coulombs.

-Dans un montage 'traditionnel', ou le circuit est directement 'bouclé' au générateur,
12 Coulombs, cela correspond, sous 12 Volts et pour une résistance de 17.8 Ohms, à un courant de 0.674 A pendant ~ 18 secondes.
(environ 4 fois plus rapide par rapport au montage condensateur (dû à la charge exponentielle du condensateur)

Dans les 2 cas, cette même quantité d'électricité traversant notre électrolyseur décomposera les molécules d'eau
pour donner:
- 6.22 x 10^-5 moles d'hydrogène.
- 3.11 x 10^-5 moles d'oxygène.

Finalement, le Coulomb est une unité 'vachement' pratique, puisqu'il sert a calculer la charge d'un condensateur
et aussi a calculer un bilan électrolytique!
Qu'en pensez-vous? C'est bien ça ou je me suis encore planté?
Merci beaucoup!

[A voir en vidéo sur Futura]

[gts2]

Notre électrolyte: (eau salée, conductivité ~ = 56mS/cm (Siemens) = 17.8 Ohms)

A condition que la cellule soit un parallélépipède de l=1 cm de profondeur et de S=1 cm2 de section ... (à l'aide de )

[Kondelec]

Bonjour

Ce n'est pas seulement bizarre, c'est inutile : La quantité de gaz produit par électrolyse est strictement proportionnelle à la charge, donc il suffit de mesurer l'intensité et de l'intégrer.

[migyonne]

Merci beaucoup pour vos réponses.
C'est bien tout ce que je voulais entendre.
Il est vrai que, comme dit Kondelec:
'Ce n'est pas seulement bizarre, c'est inutile'
Ce serait vrai si l'expérience s'arrêtait là...
Je vous invite donc a regarder cette petite vidéo et
me dire ce que vous en pensez.

https://www.youtube.com/watch?v=owgURGeV_E0

Merci encore.

[gts2]

"Voici une méthode simple pour produire 2 fois plus de gaz avec la même charge électrique."
Il y a encore plus simple, mettre les deux électrolyseurs en série.

[Kondelec]

Ce serait vrai si l'expérience s'arrêtait là...
Je vous invite donc a regarder cette petite vidéo et
me dire ce que vous en pensez.

La charge envoyée par la pile se répartie entre l’électrolyse et le condensateur, donc on ne fait pas 2 électrolyses avec une seule charge, c'est plutôt que l'on fait une sorte de pont diviseur.
Il est plus censé (et plus optimal) d'adapter la tension pour limiter les pertes, car à t0 le condensateur se comporte comme une résistance nulle, et on a tout de même des pertes par effet joule à travers la solution.

[stefjm]

Le montage série et le montage avec interrupteur 3 positions sont équivalents d'un point de vu énergétique (et même pertes joule dans les deux cas en première approximation). Donc clairement pas d'intérêt industriel, autant rester simple, surtout que les courant d'électrolyse sont conséquents. On trouve des électrolyses à courant pulsé mais c'est pour faire des dépôts de matière contrôlés.

D'un point de vu pédagogique, je trouve intéressant de visualiser l'énergie électrique sous sa forme de stockage électrostatique (condensateur).

[Kondelec]

Voici un petit graphique pour mieux comprendre :



L’énergie "utile" est en bleu, et en rouge c'est tout ce qui est perdu en chaleur.
Quand on alimente ton montage on commence par la tension maxi de la source, puis on va décroitre au fur et à mesure que le condensateur se charge.
L'intensité tombe à 0 quand le condensateur arrive à la tension de la source (ce qui peut prendre un "certain temps").

[gts2]

Donc clairement pas d'intérêt industriel, autant rester simple, surtout que les courant d'électrolyse sont conséquents.

cf. http://fr.gprectifier-es.com/rectifi...s-seawate.html qui propose des montages série/parallèle avec des tensions jusqu'à 500 V , donc obligatoirement une mise en série.

Mais je suppose que "pas d'interêt industriel" concerne les condensateurs.

[migyonne]

'La charge envoyée par la pile se répartie entre l’électrolyse et le condensateur'
Vous voulez dire que des charges électriques resteraient dans l'électrolyseur ou dans les gaz produits?..
Pourriez-vous préciser, s'il vous plait?


Si je met un deuxième module* en route pendant que le premier module a son condensateur en mode 'décharge' sur la même source
et qu'un assistant passe par là en cet instant,
il se dira:
"Tiens, c'est bizarre, il y a 2 électrolyseurs en route, mais le courant consommé à la source ne correspond
qu'a la charge d'1 condensateur..."

Il faudrait le double de tension (et donc le double de puissance électrique) dans un montage en série pour atteindre un rendement équivalent...

* 1 module = 2 électrolyseurs, 1 interrupteur, 1 condensateur.

Merci pour les infos partagées concernant, dans tous les cas, les pertes inévitables par effet Joules.
Soyons clair: Je ne parles pas d’efficience, mais juste d'optimisation d'un processus.

[gts2]

Il faudrait le double de tension (et donc le double de puissance électrique) dans un montage en série pour atteindre un rendement équivalent.

La puissance c'est compliqué (puisque dans votre cas elle varie).
En énergie, dans le cas idéal, les deux cas consomment de manière identique.
Je ne vois pas pourquoi il faut doubler la tension.

Je ne parles pas d’efficience, mais juste d'optimisation d'un processus.

Vous n'optimisez pas vous dégradez (cf message #11 de @Kondelec)

[stefjm]

cf. http://fr.gprectifier-es.com/rectifi...s-seawate.html qui propose des montages série/parallèle avec des tensions jusqu'à 500 V , donc obligatoirement une mise en série.
Mais je suppose que "pas d'interêt industriel" concerne les condensateurs.

Oui.

'La charge envoyée par la pile se répartie entre l’électrolyse et le condensateur'
Il faudrait le double de tension (et donc le double de puissance électrique) dans un montage en série pour atteindre un rendement équivalent...

Moins de puissance mais plus de temps pour faire la même chose.

Soyons clair: Je ne parles pas d’efficience, mais juste d'optimisation d'un processus.

Optimisation sous quels critères?

[migyonne]

GTs2 dit :
" La puissance c'est compliqué (puisque dans votre cas elle varie)."
Ce n'est pas compliqué si on utilise la bonne mesure: le Coulomb.


C'est exactement comme vous dites, stefjm:
'Moins de puissance mais plus de temps pour faire la même chose.'


Un petit exemple, si vous avez le temps de faire les calculs:

Une alimentation de 5 volts et 2 résistance de 20 Ohms en série.
On alimente le montage pendant 5 secondes:
-Les résistances en série représentent donc une unique résistance de 40 Ohms.
- Elles seront traversées par un même courant de I = V/R = 0,125 A
- Ce courant sera donc prélevé de la source.
- La quantité de charges électriques équivalent à un courant de 0, 125 A qui circule dans un conducteur pendant 5 secondes est de 0.625 coulombs.
Q=0.125A×5s = 0.625 C . C'est la quantité de charges électrique qui traverseront les 2 résistances.

- Si nous utilisons un montage à condensateur et interrupteur et que nous voulons que cette même quantité d'électricité
traverse chacune des résistances. (bien entendu, dans ce cas, l'une après l'autre) :

- Il nous faut un condensateur de 0.125 Farads (125000 uFarad) pour emmagasiner autant de charges électriques
(équivalentes, nous l'avons dit, à un courant de 0.125 A pendant 5 secondes sous 5 volts)
Cette charge passera dans la première résistance de 20 Ohms:
- Le condensateur mettra environ 12.5 secondes pour se charger.
- Le courant de décharge sera équivalent lors de la décharge dans la seconde résistance.
- Le Hic, c'est que ce courant ne sera pas consommé de la source, mais bien du condensateur...
- Le processus aura mis donc en tout 25 secondes (charge et décharge) au lieu de 5 secondes... mais consommé moitié moins de charges électriques
à la source!

Donc, oui:
'Moins de puissance mais plus de temps pour faire la même chose.'
ou je dirais:
'Faire la même chose, mais avec moins de puissance!'
car nous n'avons pas encore mis nos modules en 'cascade' afin de compenser le temps lors des phases ou la source n'est pas sollicitée...
Bon calculs!

[Kondelec]

Oui, la charge accumulée dans le condensateur n'est pas perdu, mais plutôt que de faire ce montage autant directement alimenter l’électrolyseur avec une tension adaptée.

[gts2]

Comme déjà dit la puissance n'est pas pratique puisqu'elle varie ; si on raisonne en énergie les deux méthodes consomment la même énergie E x q avec E la fem du générateur.

Les charges ne sont pas "consommées" : elles circulent.

Le coulomb n'est une unité/mesure de puissance.

[migyonne]

Vous avez raison. Donc, attardons nous donc plutôt sur les unité/mesure d'énergie et de puissance.
A noter qu'il y a souvent une confusion fréquente entre énergie et puissance.
(Je ne dis pas ça pour vous, je pense que vous connaissez la subtilité)
Pour la puissance, on inclut le temps qu'on met pour faire une action, rien de plus:
Pour les Watts, le temps étant déjà inclus dans 'les Ampères', il suffit juste de multiplier les Ampères par des volts
pour trouver la puissance.


Ici, donc, c'est la même énergie (prélevée à la source) qui passe dans la première résistance
(ou dans le premier électrolyseur), soit la même quantité d'électricité.
Certes, le processus est plus long dans le cas du condensateur par rapport à une circulation classique
directe source-résistance-masse ...
(Le condensateur met un certain temps à se charger)
Lors de sa charge, il met donc plus de temps pour accomplir la même chose que dans le cas d'une 'circulation directe'.
Il consomme la même énergie tout en ne consommant pas la même puissance, malgré les résistances identiques.
Étrange, mais finalement logique.

Je précise bien 'prélevé à la source':
Si l'on veut 'solliciter' la source pour la même puissance (que pour un montage classique), il suffit de démarrer plusieurs condensateurs
'l'un après l'autre' pour 'simuler' une circulation continue à la source...
(N'oublions pas, en effet, que pendant qu'un condensateur se décharge, il ne prélève rien à la source, pendant ce temps).
et de boucler le système, c'est à dire redémarrer la charge du premier condensateur qui sera déchargé.
On peut s'inspirer (un peu) du principe des condensateurs de compensation (Figure 3)...

Enfin, pour ceux qui doutent de la rentabilité financière du projet, tout le monde trouve à présent 'normal' d'utiliser
des ampoules dont le culot est bourré d'électronique afin d'économiser un peu d'énergie pour la même luminosité...


Ainsi donc, dans le processus, la résistance2 de la Figure 2 n'est raccordée à rien puisqu'elle à déjà consommée autant d'énergie
que la résistance1 de la figure 1, certes, beaucoup plus 'rapidement' dans le cas2.
Donc, oui, comme vous dites,
"si on raisonne en énergie les deux méthodes consomment la même énergie E x q avec E la fem du générateur."
Mais le résultat n'est pas le même puisque dans le 1er cas, on se retrouve avec un condensateur chargé...
A quel moment me suis-je trompé ou alors, vous ais-je perdu?
Merci beaucoup.

[Sethy]

A quel moment me suis-je trompé ou alors, vous ais-je perdu?
Merci beaucoup.

Honnêtement ? A celui où il s'agit encore et toujours de mouvement perpétuel qui ne dit pas son nom.

Et, je le rappelle, ce sujet est irrévocablement hors charte.

[stefjm]

Enfin, pour ceux qui doutent de la rentabilité financière du projet, tout le monde trouve à présent 'normal' d'utiliser
des ampoules dont le culot est bourré d'électronique afin d'économiser un peu d'énergie pour la même luminosité...

Hors sujet.
Le rendement lumineux d'une led n'a rien à voir avec celui d'un filament.

Donc, oui, comme vous dites,
"si on raisonne en énergie les deux méthodes consomment la même énergie E x q avec E la fem du générateur."
Mais le résultat n'est pas le même puisque dans le 1er cas, on se retrouve avec un condensateur chargé...

Jusqu'à ce qu'on utilise cette charge dans le second bac.

Ce n'est pas nouveau qu'on peut stocker de l'énergie électrique sous forme électrostatique dans des condensateurs. On fait cela même très bien avec des supercondensateurs.

Je ne vois toujours pas l'intérêt du truc.

Honnêtement ? A celui où il s'agit encore et toujours de mouvement perpétuel qui ne dit pas son nom.
Et, je le rappelle, ce sujet est irrévocablement hors charte.

Procès d'intention.

[Kondelec]

Voici une simulation, avec des electrodes de 1cm², une alim de 12V, un condo de 1 farad et une solution à 1 molaire de soude, on peut voir le bilan de chaque part (énergie perdue sous forme de chaleur, en énergie potentielle sous forme d'hydrogène PCI et sous forme de charge dans le condo). L'echelle du bas est en secondes, l'axe vertical en joules :



Le rendement est de 20% si on le détermine sur le PCI divisé par l’énergie totale consommée, ou 31% si on prend la charge du condo + le PCI divisé par l’énergie totale consommée (ce qui n'est pas très rigoureux, car la charge du conso ne fera pas 100% de rendement au prochain cycle).

avec un convertisseur DC directement connecté à la cellule d’électrolyse on pourrait obtenir un rendement d'environ 50%

[Sethy]

Procès d'intention.

Voir ici, par exemple :
1) https://forums.futura-sciences.com/e...ml#post7042109
2) Point 2 de cette réaction : https://forums.futura-sciences.com/p...ml#post7084872

[gts2]

Voici une simulation, avec des électrodes de 1cm², une alim de 12V, un condo de 1 farad et une solution à 1 molaire de soude, on peut voir le bilan de chaque part.

La simulation est effectuée comment ?
Parce que la puissance du générateur vaut Ei avec E=12 V et celle d'électrolyse vaut ei avec e de l'ordre de 1,2 V, ce qui donnerait un rendement de 10%.

[Kondelec]

Effectivement j'ai une coefficient x2 qui traine. J'ai converti la charge en nombre de moles d'H2, puis en PCI et j'ai discrétisé, mais il est vrai que le rendement correspond simplement à 1.26/12V