Production d’hydrogène par électrolyse d’ammoniac

[alopex]

Bonjour,
Je me posais la question de l’encombrement (dimensions, masse) d’un électrolyseur produisant de l’H2 à partir d’une solution d’ammoniac dont l’appoint est assuré en permanence par ajout de NH3 anhydre depuis une bouteille de gaz comprimé. L’appareil devrait pouvoir produire :
- Un débit moyen de 22 kgH2/h,
- Un débit de pointe de 0,8 kg/mn.
Je ne demande pas un dimensionnement précis mais plutôt un ordre de grandeur (volume de 0,1 m3, 1 m3, 10 m3, masse de 0,1 t, 1 t, 10 t ?). Le système serait alimenté en 240/400 V tri.
Merci d’avance pour votre aide.
-----

[invite0324077b]

la dimension est completement variable suivant le rendement que tu veux obtenir

si l'electrolyseur est trop petit il consomera une puissance enorme ... pour economiser l'energie il faut faire plus gros

il faut aussi savoir si tu veux de l'hydrogene pur : il faut donc des separation des electrodes pour ne pas melanger les gaz

si tu veux hydrogene et azote melangé l'electrolyseur est plus simple

[alopex]

Hello et merci.
En termes de rendement disons qu'il faudrait viser 60-70% pour que ça reste réaliste en termes de bilan
énergétique global. Ce serait mieux de pouvoir obtenir H2 et N2 séparément mais pas forcément indispensable
(si N2 est gardé ça baisse un peu le PCI du mélange mais sans conséquences importantes). Pour poser la question
autrement, peut réaliser un appareil de ce type qui fasse moins de 100 l et 100 kg (usage automobile) avec le
rendement susmentionné. Par contre sur les débits je me suis planté car j'ai pris la totalité du débit de carburant
alors qu'il faut en décomposer "seulement" 25% en volume donc débit moyen 5,5 kgH2/h et débit de pointe 0,2 kgH2/mn.
Comment ça se dimensionne? (densité de courant, chute de tension, etc)
Merci d'avance et @+

[invite0324077b]

je ne vois pas de moyen theorique de tout calculer ... je ne saurais même pas ou trouver la conductivité de l'electrolyte

je suppose que l'amoniac pure liquide sous pression ne conduira même pas l'electricité : il faut d'abord la dissoudre dans de l'eau , avec la concentration optimum

pour electrolyser l'eau avec de la potasse il y a une concentration optimum ou la conductivité est maximum donc rendement maximum de l'electrolyseur ... je ne serait pas surpris qu'il y ait aussi une concentration optimun pour l'ammoniaque

si c'est pour laisser H2 et N2 melangé je ne vois pas l'interret d'electrolyser : il vaut mieux la simple decomposition thermique de l'ammoniac sans eau par la chaleur perdue du moteur

au pif sans faire de calcul l'electrolyse me parait trop encombrante pour un vehicule

je ne vois pas 36 solution : il faut faire un electrolyseur plutot trop petit et mesurer ce qu'on peut faire avec , et en deduire la dimension qu'il faut

[A voir en vidéo sur Futura]

[polo974]

c'est un vieux dada qui revient ? ? ?
http://forums.futura-sciences.com/ch...on-de-nh3.html

le CH₄, c'est plus simple...

[alopex]

c'est un vieux dada qui revient ? ? ?

Merci quand même pour la contribution… Tu es libre de considérer ça comme une lubie, une marotte ou un dada, je préfère parler de conviction. L’idée d’utiliser l’ammoniac comme vecteur énergétique présente de nombreux aspects intéressants (pour ceux que ça intéresse…). Il s’agit d’un concept « solide » qui peut alimenter pas mal de discussions de bon niveau scientifique dans les domaines de la chimie et de la thermodynamique ce qui est il me semble la raison d’être de ce forum ?

le CH4, c'est plus simple...

Je répondrais comme Noiret dans les Ripoux : « Si on devait tout simplifier, on irait mourir dans les cimetières ». La production d’hydrogène à partir de CH4 n’est pas si simple que ça même si c’est le procédé de référence. L’utilisation du CH4 comme carburant (exemple des bus urbains) n’est pas si performante que ça. Et encore faut-il avoir du CH4 (ressource fossile) et considérer que les émissions de CO2 sont sans importance.

Peut être qu’un jour on produira de l’hydrogène (électrolyse ou cycle thermochimique) à partir de sources renouvelables ou nucléaires. On aura alors besoin d’un vecteur secondaire plus performant, plus maniable et idéalement sans émission de GES notamment dans le secteur des transports. L’ammoniac est le meilleur candidat pour ce rôle. Ce sujet est pourtant peu connu et je me permets donc d’apporter ma modeste contribution à sa diffusion.

[jiherve]

Bonsoir,
si mes souvenirs de chimie sont encore bons , un petit calcul:
22Kg d’hydrogène cela représente 22/2,016*10^-3 soit environ 11 *10^3 moles donc 11*10^3*6,02*10^23 molécules H2 il faut donc fournir le double de ce nombre d’électrons pour réduire l'hydrogène on arrive alors à 2*11*6,02 *10^26 *1,6 *10^-19 coulombs soit à peu près 212 *10^7 C le tout en une heure, le courant à fournir sera alors 212*10^7/3600 = 125 000 000 A !
Ou bien je me suis trompé(toujours probable) ou bien c'est pas raisonnable.
JR

[alopex]

Hello et merci jiherve pour la tentative. Il doit y avoir une erreur quelque part cependant que je vais chercher.
En effet, les 125000000 A même sous seulement 1 V ça fait 125 MW. Or l'enthalpie de formation de NH3(g)
est de 46 kJ/mol et l'électrolyse prend (en théorie rendement =1) la même énergie, la réaction bilan étant la
suivante: 2 NH3 >> N2 + 3 H2. Il faut donc une énergie de 92 kJ pour produire 6 g de H2 à partir de NH3.
Pour les 22 kg/h, il faut donc 337 300 kJ/h soit 93 kWh/h et donc une puissance de 93 kW. Sous les faibles
tensions de l'électrolyse (1 V env dans ce cas) ça nous laisse un paquet d'ampères et ça risque effectivement
d'être gros et lourd!!

[invite2d7144a7]

Bonjour,

Sans oublier le coût énergétique de la préparation de NH₃ !

Préparation nécessaire si on en veux des quantités importantes.

[jiherve]

re
oui j'ai fait une erreur de calcul avec la calculette 2*11*6,02 *10^26 *1,6 *10^-19 = 2 119 040 000 C soit 2 119 040 000 C /3600 = 584000 A.
pour confirmation voir ici:
http://www.chem.purdue.edu/gchelp/ho...ectrolysis.htm
Cela reste déraisonnable sans prévenir EDF.
JR

[invite0324077b]

avec un tout petit peu plus qu'un volt on peut electrolyser de l'eau , donc pas besoin d'amoniac

l'interet de l'amoniac est justement de s'electrolyser a une tension trés faible , quelque dizieme de volt ... il peut donc y avoir un grand nombre de plaque en serie pour faire une tension raisonable

mais enfin pas de miracle ... si ça pouvait marcher a 0,1 v il faudrait encore 9,3kw

[alopex]

Bon alors là je suis confus j’ai dis des bêtises dans mon cahier des charges… Je vous déroule donc le fil pour me (nous) remettre les idées en place :
- Soit une voiture consommant 5 l/100 km à 90 km/h, la puissance thermique est de 45 kW (5l/100kmx10 kWh/l/(100 km/90 km/h)) d’où une puissance mécanique de 15 kW avec un rendement de 33%.
- Le pci de NH3 vaut 21,3 MJ/kg soit 5,8 KWh/kg et le débit de carburant est de 0,0021 kg/s soit 7,6 kg/h.
- Des essais au banc montrent (1) qu’il faut un mélange avec environ 5% en masse de H2 ce qui suppose de dissocier environ 28% du NH3 carburant (pour 1 kg, on dissocie 280 g qui contiennent 280/17*3=49,4 g de H2 soit les 5% cherchés).
- On doit donc dissocier 7,6x0,28=2,13 kg/h de NH3 pour obtenir 0,376 kg/h de H2 (on est loin des 22 kg/h évoqués initialement !!)
- En pointe, on va dire qu’on a un moteur de 100 kW (faut que ça avance un minimum…) et le débit de pointe est cette fois de 2,4 kg/h ou plutôt s’agissant d’une pointe 0,66 g/s.

Donc pour dissocier 2,13 kg/h de NH3, on a 2,13/0,017=125,3 moles NH3/h x 46 kJ/mol = 5763 kJ/h soit 1,6 kWh/h. Disons 3 kW de puissance avec un rendement d’électrolyse de 50%+. On est déjà revenus dans des choses plus raisonnables !

Je précise que l’électrolyse de NH3 fait l’objet d’un certain nombre d’études sérieuses… (2).

(1)C.G.Garabedian et J.H.Johnson, «The theory of operation of an ammonia burning internal combustion engine,» Defense Technical Information Center, Fort Belvoir (VA) - USA, 06/1966.
(2)F.Vitse, M.Cooper et G.G.Botte, «On the use of ammonia electrolysis for hydrogen production,» Journal of Power Sources n° 142, pp. 18-26, 30/09/2004.

[jiherve]

Re
Mon calcul est il juste maintenant ?

JR

[polo974]

Merci quand même pour la contribution… Tu es libre de considérer ça comme une lubie, une marotte ou un dada, je préfère parler de conviction. L’idée d’utiliser l’ammoniac comme vecteur énergétique présente de nombreux aspects intéressants (pour ceux que ça intéresse…). Il s’agit d’un concept « solide » qui peut alimenter pas mal de discussions de bon niveau scientifique dans les domaines de la chimie et de la thermodynamique ce qui est il me semble la raison d’être de ce forum ?

Eh... C'était juste pour te suggérer de nous faire un état de tes avancées depuis cette épique époque...

Mais, perso, je trouve l'ammoniac plus dangereux que le méthane.

Je répondrais comme Noiret dans les Ripoux : « Si on devait tout simplifier, on irait mourir dans les cimetières ».

La production d’hydrogène à partir de CH4 n’est pas si simple que ça même si c’est le procédé de référence.
L’utilisation du CH4 comme carburant (exemple des bus urbains) n’est pas si performante que ça.

Par rapport à quoi (et selon quelle technologie). Actuellement, coté combustion hydrogène pur, c'est pas simple non plus et combustion d'un mélange hydrogène NH₃ risque de donner pas mal de NO_x qui ne sont pas réputés pour être sympas.

Et encore faut-il avoir du CH4 (ressource fossile) et considérer que les émissions de CO2 sont sans importance.

Soit on compare ce qui est comparable, c'est à dire CH₄ non fossile versus NH₃ du même tonneau (vu que du NH₃ fossile il n'y en a pas des masses) soit on part dans les mêmes délires qui permettent à un pubeux de vendre des voitures électriques en annonçant 0 CO₂ alors que (nettement) plus de la moitié de l'élec (ici à la Réunion) vient du charbon ou du fioul.

Peut être qu’un jour on produira de l’hydrogène (électrolyse ou cycle thermochimique) à partir de sources renouvelables ou nucléaires. On aura alors besoin d’un vecteur secondaire plus performant, plus maniable et idéalement sans émission de GES notamment dans le secteur des transports. L’ammoniac est le meilleur candidat pour ce rôle. Ce sujet est pourtant peu connu et je me permets donc d’apporter ma modeste contribution à sa diffusion.

D'après wikipédia, c'est déjà fait depuis la fin du XIXème, repris durant la seconde guerre mondiale, et enfin ça revient plus ou moins à la mode (avec un brin de nucléaire...)

Et pourquoi ne pas produire du CH₄ plutôt que du NH₃...

[alopex]

Hello,

Juste quelques éléments sur l’intérêt du NH3 comme vecteur énergétique. Un litre de NH3 pèse 0,682 kg et contient 0,682/17x3/2=60 g de H2 alors qu’un litre de H2 liquide (à -252°C…) en contient 71 g soit pas beaucoup plus avec des contraintes énormes (boiling off). Sous forme gazeuse comprimée à 500 bars 1 l ne contient que 40 g de H2.

Le méthane dans tout ça ? Un litre de méthane gazeux comprimé à 200 bars (bouteilles standard) ne contient qu’une énergie de 1,8 kWh/l alors que pour le NH3 liquide à 10 bars (bouteilles « légères ») on est à 4,0 kWh/l soit plus du double. Le méthane liquide (-161°C) pose le même problème de boiling off que l’H2 du fait de sa température critique inférieure à l’ambiante.

Comment faire du CH4 hors prélèvement de ressources fossiles ? On a la digestion anaérobie de matière organique mais forcément limité comme toute la biomasse car concurrence avec l’alimentation mais à ne pas négliger dans le secteur des déchets ou effluents agricoles ou urbains. La voie chimique est plus difficile. Il faudrait prendre du CO2 dans l’atmosphère ce qui est pas évident du fait de la faible concentration (0,03%), puis le réduire avec de l’H2 en CO, puis faire une méthanation catalytique sur le gaz de synthèse CO+H2 obtenu. A ce compte là, autant faire du méthanol voir de l’essence de synthèse par procédé Fischer-Tropsch. C’est éventuellement intéressant si on a un rejet de CO2 «pur » comme sur les usines d’aluminium mais pas s’il faut l’extraire de l’atmosphère. Faire des vecteurs énergétiques secondaires de l’H2 à base de carbone n’est clairement pas la meilleure solution il me semble.

Sinon désolé d’avoir un peu pris la mouche, c’est le propre des passionnés ! (je suis plein d’indulgence pour moi-même )