Matériel de l`expérience

Magali Berger
Claire Delen
Adrien Le Rat
Jean Caroff
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’oxydoréduction 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. 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 :
Pour former les milieux de culture :
v
v
v
v
v
v
v
v
Acide chlorhydrique à 1 mol.l-1
Craie pilée par pilon et mortier (photo)
1 cristallisoir
1 Tube à dégagement
2 éprouvettes graduées
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
v 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
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 sans CO2 :
Milieu ambiant :
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.
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