Des chercheurs ont récemment découvert en Lorraine un gisement d'hydrogène ou plus exactement de dihydrogène qui pourrait être le plus gros réservoir mondial de ce gaz. Le dihydrogène est un gaz incolore et inodore, mais on lui attribue parfois une couleur en fonction des impacts environnementaux liés à son mode de production.

Ainsi, le dihydrogène qui se forme naturellement dans le sous-sol terrestre est qualifié de “blanc”. Sa production n'émet pas de gaz à effet de serre contrairement à la production de dihydrogène qualifié de “noir” ou de “gris”. Ces deux dernières sont réalisées en usine par transformation de sources d'énergie dites non renouvelables (charbon et gaz naturel). Le dihydrogène peut encore être qualifié de “vert” quand il est produit grâce à de l'électricité issue de sources d'énergies dites renouvelables.

D'après le journal du CNRS

Question 1 (3 points)
Donner les deux inconvénients de la production de dihydrogène qualifié de “noir” ou de “gris”.

Dans le domaine des transports, deux technologies différentes utilisent le dihydrogène comme « source d'énergie ». Certains véhicules sont dotés d'une pile à combustible (système qui utilise du dihydrogène et le dioxygène de l'air pour produire de l'électricité) et d'un moteur électrique, d'autres d'un moteur thermique à combustion dans lequel le dihydrogène se substitue à l'essence ou au diesel.

Schéma de la chaîne énergétique d'un véhicule

Question 2 (5 points)

2a- Choisir la forme d'énergie stockée dans la pile à combustible parmi les suivantes : énergie cinétique, énergie chimique, énergie thermique, énergie nucléaire, énergie potentielle.
2b- Sans recopier le schéma précédent, associer sur votre copie chacun des numéros (1) et (2) à un mode de transfert d'énergie choisi parmi les suivants: transfert thermique (lié à un échange de chaleur), transfert par rayonnement (lié à l'émission de lumière), transfert mécanique (lié à une force ou à un mouvement), transfert électrique (lié au passage d'un courant électrique).

Les différentes méthodes de production du dihydrogène n'ont pas le même impact environnemental. On donne ci-dessous les équations de réaction de trois d'entre elles.

Production de dihydrogène qualifié de “noir” : $C + 2 H_{2}O \longrightarrow 2 H_{2} + CO_{2}$
Production de dihydrogène qualifié de “gris” : $CH_{4} + 2 H_{2}O \longrightarrow 4 H_{2} + CO_{2}$
Production de dihydrogène qualifié de “vert” : $2 H_{2}O \longrightarrow 2 H_{2} + O_{2}$

Question 3 (9 points)

3a- Donner les noms des produits formés lors de la production de dihydrogène qualifié de “gris”.
3b- Justifier, d'après les équations de réaction, l'avantage environnemental de la production de dihydrogène qualifié de “vert” par rapport à la production de dihydrogène qualifié de “noir” ou de “gris”.
3c- Sachant que l'équation de réaction de production de dihydrogène qualifié de “noir” peut également s'écrire sous la forme : $2 C + 4 H_{2}O \longrightarrow 4 H_{2} + 2 CO_{2}$, expliquer que la production d'une même quantité de dihydrogène émet deux fois plus de dioxyde de carbone pour du dihydrogène qualifié de “noir” que pour du dihydrogène qualifié de “gris”.

Dans les voitures électriques dotées d'une pile à combustible, l'usage du dihydrogène qualifié de « vert » limite le plus efficacement les impacts environnementaux.
Dans ce type de véhicule, le dihydrogène est stocké dans un réservoir haute pression de 700 bars d'une capacité totale de 0,15 m³. À cette pression, la valeur de la masse volumique du dihydrogène gazeux est égale à 42 kg/m³.
À la pression atmosphérique d'un bar, une masse de 1 kg de dihydrogène occupe un volume de 11 m³.
D'après les sites flottes automobiles et h2-mobile

Question 4 (8 points)
4a- Montrer par un calcul que, dans le réservoir haute pression, la valeur de la masse de dihydrogène gazeux stockée est égale à 6,3 kg. Expliquer la démarche.

4b- Calculer le volume qu'occuperait cette masse de dihydrogène gazeux stocké sous une pression atmosphérique d'un bar.

4c- Expliquer l'intérêt de comprimer le dihydrogène gazeux pour une voiture électrique dont le volume du coffre est de 0,32 m³.

Question 1 (3 points)**

D'après le texte introductif, les deux inconvénients majeurs sont :

1. L'impact climatique : La production émet des gaz à effet de serre ($CO_2$).
2. L'origine de l'énergie : Elle utilise des sources d'énergie non renouvelables (charbon pour le “noir”, gaz naturel pour le “gris”).

Question 2 (5 points)

2a. La forme d'énergie stockée dans la pile à combustible est l'énergie chimique. (Justification : La pile utilise une réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène pour fonctionner).

2b. Association des modes de transfert d'énergie :

• Numéro (1) : Transfert électrique. (Le moteur électrique est alimenté par l'électricité produite par la pile).
• Numéro (2) : Transfert mécanique. (Le moteur convertit l'électricité en mouvement pour faire tourner les roues via la transmission).

Question 3 (9 points)

3a. Noms des produits (Hydrogène “Gris”) D'après l'équation : $CH_4 + 2 H_2O \longrightarrow 4 H_2 + CO_2$, les produits formés sont :

• Le dihydrogène ($H_2$).
• Le dioxyde de carbone ($CO_2$).

3b. Avantage environnemental du dihydrogène “vert” En comparant les équations :

• “Vert” : $2 H_2O \longrightarrow 2 H_2 + O_2$.

Le produit secondaire est le dioxygène ($O_2$), un gaz naturellement présent dans l'atmosphère et sans danger.

• “Noir/Gris” : Produisent du $CO_2$, qui est un gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique.

Conclusion : Le dihydrogène vert ne rejette pas de gaz à effet de serre lors de sa production.

3c. Comparaison des émissions (Noir vs Gris) On compare les deux équations pour une même production de dihydrogène ($4 H_2$) :

• Noir : $2 C + 4 H_2O \longrightarrow 4 H_2 + 2 CO_2$.
• Gris : $CH_4 + 2 H_2O \longrightarrow 4 H_2 + CO_2$.

Pour produire exactement la même quantité de dihydrogène (4 molécules), la méthode “noire” produit 2 molécules de $CO_2$ alors que la méthode “grise” n'en produit qu'une seule. Il y a donc bien deux fois plus d'émissions de dioxyde de carbone avec le dihydrogène noir.

Question 4 (8 points)

Données :

• Volume réservoir $V_{réservoir} = 0,15 m^3$
• Masse volumique à 700 bars $\rho = 42 kg/m^3$
• Masse volumique à pression atmosphérique : $1$ kg occupe $11 m^3$
• Volume du coffre : $0,32 m^3$

4a. Calcul de la masse stockée On utilise la formule : $m = \rho \times V$
$m = 42 kg/m^3 \times 0,15 m^3$
$m = 6,3$ kg
La masse de dihydrogène stockée est bien de 6,3 kg.

4b. Calcul du volume à pression atmosphérique (1 bar) On utilise la donnée de proportionnalité : $1$ kg occupe $11$ $m^3$
$V_{atmo} = m \times 11$ $m^3/kg$
$V_{atmo}$ $=$ 6,3 kg $\times 11$ $m^3/kg$
$V_{atmo}$ $=$ 69,3 $m^3$

4c. Intérêt de la compression Si on ne comprimait pas le gaz, les $6,3$ kg de dihydrogène occuperaient un volume de $69,3$ $m^3$ Or, le coffre d'une voiture a un volume de $0,32$ $m^3$ $69,3$ $m^3 \gg 0,32$ $m^3$

Le volume du gaz à pression atmosphérique est environ 200 fois plus grand que le coffre. Il est donc indispensable de comprimer le gaz (pour réduire son volume à $0,15$ $m^3$) afin qu'il puisse tenir dans le réservoir du véhicule.