Pile à combustible, effet sur l’environnement Magali Berger Adrien Le Rat Claire Delen Jean Caroff T P E Pile à combustible, effet sur l’environnement

Problématique : Observation : Depuis quelques décennies, la population se concentre de plus en plus dans les villes. Les zones périurbaines se multiplient autour des grandes agglomérations. En conséquence, les transports publics et individuels se développent, et l’augmentation du trafic entraîne une hausse de la pollution. En parallèle, la consommation d’énergie par habitant augmente tandis que les réserves d’énergies fossiles (pétrole, gaz naturel…) vont bientôt être insuffisantes.  Les hommes ont pris conscience de cette pollution grandissante et de ses effets néfastes sur l’environnement. Afin de protéger celui-ci, les états prennent des mesures de réduction de la pollution. En particulier, plusieurs nations ont ratifié le protocole de Kyoto qui oblige les signataires à réduire leur émission de gaz à effet de serre tels que le CO2.   Des industries automobiles cherchent également à créer des véhicules qui consomment une autre énergie que l’énergie issue d’hydrocarbures afin d’anticiper la disparition de ces ressources fossiles. La voiture électrique n’étant pas suffisamment autonome avec sa batterie qui se vide trop vite, les chercheurs portent leurs espoirs sur la pile à hydrogène.

Fonctionnement d’une pile à hydrogène :

Fonctionnement de la pile à hydrogène La pile à hydrogène, dite aussi pile à combustible, utilise le dihydrogène et le dioxygène. Il se produit une réaction d’oxydo-réduction entre le réducteur du couple H+ / H2 et l’oxydant du couple O2 / H2O . Voici son équation : H+ / H2 2 H+(aq) + 2 e- = H2(g) *2   O2 / H2O 4 H +(aq) + O2(g) + 4 e- = 2 H2O(l) *1  O2(g) + 2 H2(g) = 2 H2O (l)   Les deux réactifs sont séparés par une membrane échangeuse de protons appelée « électrolyte ». Les électrons, ne pouvant pas passer par cette membrane, sont déviés d’une anode vers une cathode, alimentant ainsi un circuit électrique.

Il y a consommation de dioxygène, en faible quantité Il y a consommation de dioxygène, en faible quantité. On a 21% d'O2 dans l'air et 0,04% de CO2, donc consommer un peu d'O2 ne fera pas bouger énormément la concentration en CO2... même en consommant tout l'O2, la quantité de CO2 sera à peine plus élevée : 0,05%, car l'N2 restera le composant principal ! De plus, pour produire le dihydrogène qui serait stocké dans les véhicules équipés de la pile à hydrogène, on créerait du gaz carbonique. En effet, il existe plusieurs méthodes pour obtenir du dihydrogène, mais pour en produire en grande quantité (on utilise alors les hydrocarbures), il y a production de gaz carbonique, par exemples à partir du GPL, on obtient du dihydrogène (70%), du méthane, du CO2 et du CO ; à partir du méthanol, on peut produire du dihydrogène (75%), accompagné de du CO2 et du CO. Les autres réactions nécessitent un catalyseur en platine, métal rare et cher. Il n’est donc pas rentable de les utiliser pour obtenir de l’hydrogène.

On peut se poser la question : Quelles peuvent être les conséquences de l’utilisation de piles à hydrogène sur l’environnement ? Comme l’émission de monoxyde de carbone provoque la mort de tout être vivant (dans un très court laps de temps), on limitera notre étude aux conséquences de la présence de dioxyde de carbone sur l’environnement. L’augmentation (dans de grandes quantités) de dioxyde de carbone dans l’atmosphère serait nocif pour la faune. On restreint notre démarche afin d’apprécier les effets du dioxyde de carbone uniquement sur la flore. Hypothèse : L’augmentation de la quantité de dioxyde de carbone dans le milieu de vie (le biotope) des plantes favorise leur croissance.

Validation expérimentale de l’hypothèse

Matériel de la mise en culture Pour obtenir du CO2 : v Acide chlorhydrique à 1 mol.l-1 v Craie pilée par pilon et mortier (photo) 1 cristallisoir v    1 Tube à dégagement v 2 éprouvettes graduées v 1 bécher (pour manipuler l’acide) 2 pipettes graduées (10 et 20 mL) 1 tube à essai v Eau de chaux v Paraffine v 4 élastiques 4 boutures « chlorophytum » de même morphologie (3 feuilles de tailles semblables de 10 cm, réunies à l’aide d’élastiques de manière à ce qu’elles ne trempent pas dans l’eau) v  4 Erlenmeyers d’environ 250 mL Pour former les milieux de culture :

Première manipulation Nous prélevons et versons dans le tube à dégagement 14,2 mL d’acide chlorhydrique qui nous permettrons d’obtenir le CO2 voulu afin de former le milieu très riche en CO2. Puis nous rajoutons de la craie pilée en excès. Nous bouchons rapidement le tube et nous attendons que le CO2 se forme et aille dans l’éprouvette graduée. Voici l’équation de la réaction qui a lieu dans le tube à dégagement: 2H3O+ (aq) + CaCO3 (s) = CO2 (g) + Ca2+ (aq) + 3H2O (l)

Nous transvasons le contenu de l’éprouvette (CO2 et eau) dans le premier erlenmeyer (le gaz y tombe par simple gravité car il est plus dense que l’air). Nous y ajoutons une plante et nous bouchons l’erlenmeyer avec du para film.

Deuxième manipulation Nous prélèvons 7,6 mL d’acide chlorhydrique et nous recommençons la manipulation pour former le milieu riche en CO2. On a utilisé une éprouvette en verre, pour mieux observer la montée de CO2… … depuis le tube… … jusque dans l’éprouvette.

On ajuste le niveau d’eau pour qu’il soit le même dans tous les erlenmeyers

Troisième manipulation: Dans un troisième erlenmeyer, nous introduisons le volume d’eau nécessaire ainsi que la plante et nous bouchons avec le para film. Il formera le milieu ambiant. Quatrième manipulation Nous effectuons à nouveau cette opération mais cette fois-ci nous rajoutons un petit récipient en verre contenant de l’eau de chaux, qui absorbera le CO2 de l’air. C’est le milieu pauvre en CO2. Nous installons les quatre erlenmeyers dans l’armoire de culture in vitro.

Résultats des cultures sous différentes concentrations en CO2 : Après 5 semaines de culture, on sort les plantes des erlenmeyers et on les mesure, on compte leur racines et leurs feuilles. Vue d’ensemble les détails :

Milieu ambiant : Milieu sans CO2 : On a des feuilles vertes: Sur les 3 feuilles de départ: -deux feuilles sont vertes, de 6cm et 13cm. -une feuille jaune de 10cm. On compte 8 racines de longueur moyenne de 2,30cm. Milieu ambiant : On a des feuilles vertes: -deux de 10cm -une de 15cm On a peu de racines, dont la longueur moyenne est 2cm. Milieu riche en CO2 : On observe que de nouvelles feuilles ont commencé à se développer (longueur: 5cm). Ces feuilles sont vertes car très jeunes. On a : -deux feuilles mortes (10cm et 13cm) -une feuille verte de 10cm Et quatre racines de taille moyenne 3cm. Milieu très riche en CO2 : On peut voir trois feuilles vertes: -une de 10cm -une de 12cm -une de 16cm On observe 4 racines de 4cm de longueur en moyenne.

Interprétation de l’influence de la concentration en CO2 : Privée de CO2, la plante commence à dépérir. Ceci nous indique que la présence de dioxyde de carbone est nécessaire au développement de la plante. Une baisse trop importante du taux de CO2 dans l’air entraînerait la déperdition de la flore. Dans ce cas, les feuilles ne poussent pas. Le développement d’une plante en milieu ambiant nous montre que la plante a utilisé le CO2 pour accroître ses feuilles. Dans le milieu riche en CO2, de nouvelles pousses ont émergé, ce qui montre qu’un taux de CO2 supérieur à la normale favorise la croissance des feuilles et la naissance de nouvelles pousses. La présence de feuilles mortes sur la plante du milieu riche en CO2 est à mettre à part: les feuilles, mal placées, ont trempé dans l’eau, ce qui fausse les résultats.

Suite de l’interprétation : Le milieu très riche en CO2 nous confirme que le dioxyde de carbone est bénéfique pour la plante car on remarque que les trois feuilles présentes à l’origine ont cru de 1 à 7cm selon les feuilles. On observe également une croissance racinaire importante. L’augmentation de la concentration en CO2 entraînerait une prolifération de certaines plantes grâce à la photosynthèse (6CO2 + 6H2O = C6H12O6), et donc des animaux se nourrissant de ces plantes, et aussi des prédateurs de ces animaux… Si le parc automobile mondial venait à adopter la pile à hydrogène, la teneur en CO2 dans l’atmosphère augmenterait et certaines espèces de la biomasse proliféreraient.

Conclusion : Notre société ne sait plus vivre sans consommer de l’énergie. Il est difficile de trouver une source d’énergie non polluante. Les sources fossiles, les hydrocarbures, produisent trop de CO2. La pile à hydrogène combustible produit moins de CO2 pour la même quantité d’énergie fournie comme le montre ce tableau comparant de la production de CO2 par différents types de véhicules : http://www.econologie.com

Le point faible de la pile à hydrogène, qui gène sa commercialisation, ne vient pas des conséquences en CO2 de son utilisation. On peut même utiliser ce CO2 pour produire des biocarburants à base d’algues puisque leur croissance est stimulée par la concentration en CO2. La difficulté est alors de récupérer ce CO2, et de le stocker, comprimé en bouteille par exemple. C’est bien sûr plus facile à faire en usine qu’en voiture ! Ainsi 95% des véhicules à pile utilisent des bouteilles d'H2 produites en usine. Son point faible est la difficulté à produire le dihydrogène nécessaire à son fonctionnement. On peut espérer que le fonctionnement de la pile à hydrogène sera bientôt amélioré et qu’un jour un véhicule fonctionnant sur ce principe pourra être commercialisé à un prix abordable, d’autant plus que d’ici à 50 ans au maximum, le pétrole facile à extraire viendra à manquer. Cependant, la voiture fonctionnant à l’hydrogène aurait un avantage non négligeable: elle ne ferait aucun bruit.

Élargissement du sujet : Il aurai été intéressant d’étudier : - les différents modes de production de l’hydrogène. - l’effet de la quantité de vapeur d'eau produite qui augmenterait l'humidité de l'air ambiant : les villes pourraient devenir tropicales ! le problème de l’approvisionnement des stations-service et du stockage du dihydrogène dans les stations H2 existant aux USA, en Allemagne, au Japon… le stockage du dihydrogène : pourquoi c'est dangereux ? qu'est-ce qui est fait pour le rentre moins dangereux ? les techniques d’extraction des hydrocarbures : à 400US$ le baril, on peut encore trouver beaucoup de pétrole. (Jouez sur Internet à "oiligarchy game", comptez 2h pour finir le jeu, si vous lisez tout, 15min si vous survolez le texte).

Bibliographie : Sites internet: _ www.cea.fr (site du Commissariat à l’Energie Atomique) _ www.educnet.education.fr _ www.moteurnature.com _ www.clean-auto.com _ www.auto-innovations.com Autres: _ Courrier International n°473 du 25 novembre 1999 _ La Recherche n° 357, de novembre 2002