Pile combustible, effet sur lenvironnement

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Magali Berger Adrien Le Rat Claire
Delen Jean Caroff
T P E

• Pile à combustible, effet sur lenvironnement

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• Problématique
• Observation Depuis quelques décennies
  que la population se concentre de plus en plus
  dans les villes. De plus, les zones périurbaines
  se multiplient autour des grandes agglomérations.
  En conséquence, les transports publics et
  individuels se développent, et laugmentation du
  trafic entraîne une hausse de la pollution.
• En parallèle, la consommation dénergie par
  habitant augmente tandis que les réserves
  dénergies fossiles (pétrole, gaz naturel,) vont
  bientôt être insuffisantes. 
• Les hommes ont pris conscience de cette
  pollution grandissante et de ses effets néfastes
  sur lenvironnement. Afin de protéger celui-ci,
  les états prennent des mesures de réduction de la
  pollution. En particulier au sommet de Kyoto de
  1997, où 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 lénergie fossile afin
  danticiper la disparition des ressources
  terrestres. La voiture électrique nétant pas
  suffisamment rentable, les chercheurs portent
  leurs espoirs sur la pile à hydrogène.
• A première vue, la pile à combustible est
  bénéfique pour lenvironnement.La figure
  ci-après présente une explication de son
  fonctionnement.

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• Fonctionnement de la pile à hydrogène
• La pile à hydrogène est une pile à
  combustible qui utilise le dihydrogène et le
  dioxygène. Il se produit une réaction
  doxydo-réduction entre le réducteur du couple
  H/H2 et loxydant 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 dune anode vers une
  cathode, alimentant ainsi un circuit électrique.

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(No Transcript)
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• Il y a consommation de dioxygène, donc lair
  dans lequel il a été prélevé a une concentration
  en dioxyde de carbone plus élevée.
•   
• De plus, pour produire le dihydrogène qui
  serait stocké dans les véhicules équipés de la
  pile à hydrogène, on créerait des gaz
  carboniques. 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
  carboniques.
• Quelques exemples 
• - à partir du GPL, on obtient du dihydrogène
  (70), du méthane, du dioxyde et du monoxyde de
  carbone
• - à partir du méthanol, on peut produire du
  dihydrogène (75), accompagné de dioxyde et de
  monoxyde de carbone
•  
• La plupart des autres réactions nécessitent un
  catalyseur en métal rare. Il nest donc pas
  question de les utiliser pour obtenir de
  lhydrogène.

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On peut se poser la question Quelles peuvent
être les conséquences de la pile à hydrogène sur
lenvironnement ?

• Comme lémission 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 lenvironnement.
• Laugmentation (dans de grandes quantités) de
  dioxyde de carbone dans latmosphère serait nocif
  pour la faune. On restreint notre démarche afin
  dapprécier les effets du dioxyde de carbone
  uniquement sur la flore.
• Hypothèse Laugmentation de la quantité de
  dioxyde de carbone dans le milieu de vie (le
  biotope) des plantes favorise leur croissance.

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Vérification expérimentale de lhypothèse
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Matériel de lexpérience

• 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 lacide)
• 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 laide délastiques de manière à ce
  quelles ne trempent pas dans leau)
• v  4 Erlenmeyers denviron 250 mL

Pour obtenir du CO2
Pour former les milieux de culture
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Première manipulation
Nous prélevons et versons dans le tube à
dégagement 14,2 mL dacide chlorhydrique qui nous
permettrons dobtenir 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
léprouvette graduée.
Voici léquation de la réaction qui a lieu
dans le tube à dégagement 2H3O (aq) CaCO3
(s) CO2 (g) Ca2 (aq) 3H2O (l)
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• Nous transvasons le contenu de léprouvette
  (CO2 et eau) dans le premier erlenmeyer (le gaz y
  tombe par simple gravité car il est plus dense
  que lair). Nous y ajoutons une plante et nous
  bouchons lerlenmeyer avec du para film.

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• Deuxième manipulation
• Nous prélèvons 7,6 mL dacide 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 léprouvette.
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On ajuste le niveau deau pour quil soit le
même dans tous les erlenmeyers
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• Troisième manipulation
• Dans un troisième erlenmeyer, nous introduisons
  le volume deau 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 leau de chaux, qui absorbera
le CO2 de lair. Cest le milieu pauvre en CO2.
Nous installons les quatre erlenmeyers dans
larmoire de culture in vitro.
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Résultats de lexpérience Après 5 semaines de
culture, on sort les plantes des erlenmeyers et
on les mesure, on compte leur racines et leurs
feuilles.
Vue densemble les détails
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• 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 sans CO2   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 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.
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• Interprétation
• 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 lair entraînerait
  la déperdition de la flore. Dans ce cas, les
  feuilles ne poussent pas.
• Le développement dune 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 quun 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
  leau, ce qui fausse les résultats.
• 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 lorigine ont cru de 1 à 7cm selon
  les feuilles. On observe également une croissance
  racinaire importante.
• Laugmentation de la concentration en
  CO2 entraînerait une prolifération de certaines
  plantes (grâce à la photosynthèse), et donc des
  animaux se nourrissant de ces plantes, et aussi
  des prédateurs de ces animaux, etc
• Si le parc automobile mondial venait à adopter
  la pile à hydrogène, la teneur en CO2 dans
  latmosphère augmenterait et on verrait donc
  certaines espèces de la biomasse proliférer.

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• Conclusion
• Lutilisation de la pile à
  hydrogène à léchelle mondiale, à long terme,
  entraînerait un déséquilibre dans les écosystèmes
  (certaines espèces augmenteraient en population,
  tandis que dautres seraient moins représentées).
• Le grand danger est que, si lémission de CO2
  venait à diminuer après la mise en circulation de
  la pile, certaines populations danimaux
  diminueraient, alors que celles de leur
  prédateurs resteraient constante pendant une
  année. Cela pourrait même entraîner la
  disparition despèces.
• Le point faible de la pile à hydrogène, qui
  empêche sa commercialisation, ne vient pas de son
  utilisation, mais de la manière de produire le
  dihydrogène nécessaire à son fonctionnement.
• Des chercheurs en automobile ont pensé à
  embarquer du méthanol dans les voitures pour le
  transformer en dihydrogène juste avant
  utilisation, mais cela ne résout pas le problème
  il y aura toujours production de CO2.

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• Élargissement du sujet
• La solution de la pile à hydrogène nest
  donc pour le moment pas une alternative au
  problème de la pollution mondiale.

moteur dune voiture fonctionnant à
lhydrogène On en est encore aux essais.
(www.clean-auto.com)
Cependant, on peut espérer que son
fonctionnement sera amélioré (en ce qui concerne
la production de CO2), et quun jour une voiture
fonctionnant sur le principe de la pile à
hydrogène pourra être commercialisée à un prix
abordable, étant donné que dans une cinquantaine
dannées, le pétrole viendra de toute manière à
manquer.
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Il faudra aussi régler le problème de
lapprovisionnement des stations-service, et de
la dangerosité du stockage du dihydrogène. Cepend
ant, la voiture fonctionnant à lhydrogène aurait
un avantage non négligeable elle ne ferait aucun
bruit.
Intérieur du prototype Necar 4 de Mercedes On
appelle ce type de voiture FCHV (Fuel Cell Hybrid
Vehicle) Tout est stocké sous les sièges.
(www.auto-innovations.com)
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• Bibliographie
• Sites internet
• _ www.cea.fr (site du Commissariat à lEnergie
  Atomique)
• _ www.educnet.education.fr
• _ www.moteurnature.com
• _ http//pileacombustible.free.fr
• _ www.clean-auto.com
• _ www.auto-innovations.com
• Autres
• _ Courrier International n473 du 25 novembre
  1999
• _ La Recherche n 357, de novembre 2002