La Douche Sans Tuyau

Introduction: >>> Nous voulions trouver pour ce TPE un sujet assez original, différent des autres idées, mais restant assez sérieux. Ainsi nous avons pensé rapidement a créer une douche qui produirait elle-même son eau, mais de nombreux point d’interrogation restaient : + Tout simplement comment peut on produire de l’eau ? + Et deuxièmement, est-ce-que cela ne serai pas trop fantaisiste, le jury apprécierai-t-il ou trouverez cela infantile ? >>> Après avoir interrogé nos professeurs, qui nous rassurèrent immédiatement, nous avons donc commencé nos recherche sur le sujet et trouvé qu’un sujet d’actualité, la pile a hydrogène, était dans le sens de notre TPE. En effet cette technologie en développement permettait la création d’eau de notre prototype, sans les inconvénients d’autres réaction chimiques.

Sommaire: Comment produire de l’eau sans apport direct ?? L’expérience 2H2 + O2  2H2O La pile a hydrogène Comment ça marche ?? Les différentes piles et celle qui est la plus adaptée pour notre douche Comment cette douche fonctionnerait-elle ?? Comment stocker les réactifs ?? Rendre la douche sans danger et la plus usuelle possible Les accessoires Montrer que cette douche sans tuyau est irréalisable mais conclure qu’il y a beaucoup d’espoir dans cette énergie. Impossibilités Impact de ce genre d’énergie sur l’environnement L’avenir de celles-ci

I. Comment produire de l’eau sans apport direct?? >>> Durant ce TPE nous nous sommes rendu compte qu’il était possible de produire de l’eau de plusieurs façons. En effet de nombreuses réactions sont possibles pour produire de l’H2O mais celle-ci sont utilisées différemment suivant ce que l’on veut en faire. >>> Cependant pour notre envie à savoir créer de l’eau sans trop de difficultés la réaction la plus simple d’utilisation serait donc pour nous la réaction suivante : 2H2 + O2  2H2O >>> En effet grâce à cette réaction nous pourrions produire de l’eau simplement avec du dihydrogène (que l’on se procurer) et du dioxygène qui se trouve en très grande quantité dans l’air.

1. L’expérience 2H2 + O2  2H2O >>> L’expérience a été réalisée en laboratoire lors de la préparation du TPE avec des laborantins. Nous avons donc pour cela utilisé un tube a gaz rempli au préalable des 2 réactifs que nous avons plongé dans une coupelle remplie d’eau, empêchant ainsi aux réactifs de s’échapper. Puis, nous avons rapidement retiré la coupelle et placé a l’aide d’une canne de la mousse de platine, qui est le catalyseur de la réaction, dans le tube. Il ne se passa rien sur le moment mais après quelques secondes une explosion très violente eu lieu, produisant ainsi sur les parois du tube de la vapeur d’eau, reconnaissable grâce au test au sulfate de cuivre anhydre.

4H+(aq) + 4e- + O2(g)  2H2O(aq ou g) 2. La pile à Hydrogène Comment ça marche ?? >>> La pile à hydrogène a été conçue pour produire de l’électricité, et cela a partir d’une réaction chimique, 2H2+O2  2H2O. Pour cela elle a été conçue en plusieurs parties, il y a un électrolyte, c’est-à-dire un matériau qui ne laisse pas passer les électrons, et celui-ci et entouré d’une cathode et d’une anode en platine, qui agiront comme catalyseurs de la réaction et prendront les électrons et ainsi former un courant électrique. D’où la première réaction, ou l’on envoie du dihydrogène H sur l’anode, qui se divise en 2 ions H+ et 2 électrons, les ions passant dans l’électrolyte et les électrons créant le courant électrique : H2  2H+ + 2e- >>> Après avoir traversé l’électrolyte les ions H+ arrivent à la cathode alimentée en électrons et, avec une molécule d’O2, 4 ions H+ et 4 électrons de forme de l’eau, H2O : 4H+(aq) + 4e- + O2(g)  2H2O(aq ou g)

>>> Lien vers l’animation

b. Les différentes piles et celle qui est la plus adaptée pour notre douche Pile à combustible Réaction à l'anode Réaction à la cathode AFC H2 + 2 OH-  2 H2O + 2 e- ½ O2 + H2O + 2 e-  2 OH- PEMFC H2  2 H+ + 2 e- ½ O2 + 2 H+ + 2 e-  H2O PAFC MCFC H2 + CO32-  H2O + CO2 + 2 e- ½ O2 + CO2 + 2 e-  CO32- SOFC H2 + O2-  H2O + 2 e- ½ O2 + 2 e-  O2- >>> Les piles à combustible à membrane polymère (PEMFC) >>> Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) >>> Les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) >>> Les piles à combustible à carbonates fondus (MCFC) >>> Les piles à combustible à acide solide (SOFC)

Type AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Combustible H2 Méthanol Comburant O2 Électrolyte Solution d'hydroxyde de potassium ou de sodium Membrane polymère conductrice de protons Acide phosphorique Li2CO3 et KCO3 fondu dans une matrice LiAlO2 ZrO2 et Y2O3 Ions traversant l'électrolyte OH- H+ CO32- O2- Température de fonctionnement 60°C à 80°C 60°C à 100°C 180°C à 220°C 600°C à 660°C 700°C à 1000°C Rendement jusqu'à 60% jusqu'à 40% jusqu'à 45% 80% en cogénération jusqu'à 55% 70% en cogénération Domaine d'application domaine spatial et domaine militaire domaine spatial, piles stationnaires piles embarquées et micro piles piles embarquées et micro piles piles stationnaires pile stationnaire piles stationnaire et piles embarquées État de la technologie Mature Prototypes Aboutie

II. Comment cette douche fonctionnerait-elle ?? Comment stocker les réactifs ?? >>> La réaction de la pile est assez simple, en effet elle ne demande que 2 réactifs, dont un est présent dans l’air et ne demande pas de rajout pour de meilleures performances. Ainsi il ne nous reste qu’à trouver un moyen de stockage assez simple pour le dihydrogène, ce qui est déjà plus difficile…

PRÉSENT PARTOUT… MAIS DISPONIBLE NULLE PART >>> L’hydrogène est extrêmement abondant sur notre planète. Chaque molécule d’eau (H2O) est le fruit de la combinaison entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. Or, l’eau couvre 70 % du globe terrestre. On trouve également de l’hydrogène dans les hydrocarbures qui, comme leur nom l’indique, sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. Mais bien qu’il soit l’élément le plus abondant de la planète, l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur. Il faut donc savoir le produire en grande quantité pour pouvoir le convertir en énergie. LA PRODUCTION ACTUELLE D'HYDROGÈNE >>> Si l’hydrogène n’est quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie, il est une des matières de base de l’industrie chimique et pétrochimique. Il est utilisé notamment pour la production d’ammoniac et de méthanol, pour le raffinage du pétrole ; il est également employé dans les secteurs de la métallurgie, de l’électronique, de la pharmacologie ainsi que dans le traitement de produits alimentaires. Pour couvrir ces besoins, 50 millions de tonnes d’hydrogène sont déjà produites chaque année. Mais si ces 50 millions de tonnes devaient servir à la production d’énergie, elles ne représenteraient qu’1,5 % de la demande mondiale d’énergie primaire. Donc pour pouvoir l’utiliser pour la création l’énergie il faudrait en produire beaucoup plus.

PRODUCTION D'HYDROGÈNE À PARTIR DES ÉNERGIES FOSSILES Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbure sous l’action de la chaleur pour en libérer l’hydrogène. Le vaporeformage du gaz naturel est le procédé le plus courant : le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude, et libère ainsi l’hydrogène qu’il contient. Mais la production d’hydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère, principal responsable de l’effet de serre. Pour éviter cela, la production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le gaz carbonique par des techniques qui doivent faire l’objet de développements (on envisage, par exemple, de réinjecter le gaz carbonique dans les puits de pétrole épuisés). L’hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de production est polluant et comme les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère indispensable. PRODUCTION DIRECTE À PARTIR DE LA BIOMASSE La biomasse est une source de production d’hydrogène potentiellement très importante. Elle est constituée de tous les végétaux (bois, paille, etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. L’hydrogène est produit par gazéification, laquelle permet l’obtention d’un gaz de synthèse (CO + H2). Après purification, celui-ci donne de l’hydrogène. Cette solution est attrayante car la quantité de CO2 émise au cours de la conversion de la biomasse en hydrogène est à peu près équivalente à celle qu’absorbent les plantes au cours de leur croissance ; l’écobilan est donc nul. Un jour, il sera peut-être possible de produire de l’hydrogène à partir de bactéries et de microalgues. On a en effet découvert récemment que certains de ces organismes avaient la particularité de produire de l’hydrogène sous l’action de la lumière. Mais ce procédé n’en est aujourd’hui qu’au stade du laboratoire.