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Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

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IIIb. ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT

NOM :

Prénom :

Centre d'examen :

n° d'inscription :

Ce sujet comporte

sept feuilles individuelles sur lesquelles le candidat doit consigner ses réponses. Le candidat doit restituer ce document avant de sortir de la salle d'examen. Le candidat doit agir en autonomie et faire preuve d'initiative tout au long de l'épreuve.

En cas de difficulté, le candidat p

eut solliciter l'examinateur afin de lui permettre de continuer la tâche. L'examinateur peut intervenir à tout moment, s'il le juge utile. L'utilisation de la calculatrice est autorisée.

CONTEXTE DU SUJET

Les énergies renouvelables telles que le solaire ou l'éolien présentent l'inconvénient d'être intermittentes. Les

moments de production de ces énergies ne correspondent pas forcément à leurs moments de consommation. Une

solution pertinente à grande échelle est de les utiliser pour produire du dihydrogèn e à l'aide d'une électrolyse.

Le dihydrogène obtenu pourrait alors servir à produire de l'électricité à n'importe quel moment grâce à une pile à

combustibles consommant ce dihydrogène. Le but de cette épreuve est d'évaluer le rendement énergétique d'une

électrolyse

permettant de produire du dihydrogène avec le matériel d'un lycée et de le comparer à ceux obtenus dans l'industrie. Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017
Page 3 sur 16 DOCUMENTS MIS À DISPOSITION DU CANDIDAT

Document 1 : Électrolyse de l'eau

L'électrolyse de l'eau utilise le courant électrique pour " dissocier » l'eau en dihydrogène et

dioxygène selon la réaction d'équation : 2 H 2

O() 2 H

2 (g) + O 2 (g)

La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes en métal reliées aux bornes d'un

générateur et immergées dans une solution ionique composée majoritairement d'eau.

Lorsqu'un électrolyseur est alimenté par un générateur délivrant une tension U (exprimée en volts),

il est parcouru par un courant d'intensité

I (exprimée en ampères). L'énergie W

E totale reçue par l'électrolyseur (exprimée en joules) pendant une durée (exprimée en secondes) est : W E

Une partie de cette énergie est utilisée pour dissocier l'eau et donc produire du dihydrogène (c'est

l'énergie " utile ») ; le reste est dissipé sous forme de chaleur par effet Joule.

On définit le

rendement énergétique r de l'électrolyseur, comme le rapport entre l'énergie utile et l'énergie totale reçue : r = Document 2 : Énergie utile pour produire du dihydrogène L'énergie nécessaire pour produire une mole de dihydrogène H 2

à partir de l'électrolyse de l'eau est

E H2 = 286 kJ.mol 1

L'énergie utile

E U (exprimée en joules) permettant de produire une quantité de matière n de dihydrogène H 2 se calcule par la relation : E U = n.E H2

La quantité de matière

n correspondant à un volume V (exprimé en litres) de dihydrogène H 2 se calcule par la relation : n = V V m

Donnée :

Le volume occupé par une mole de gaz dans les conditions de l'expérience vaut 24 L ; le volume molaire V m est donc égal à 24 L.mol 1 Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

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Document 3 : Production industrielle de dihydrogène par électrolyse à haut rendement

Le CEA-Liten a annoncé la validation d'un système de production de dihydrogène par électrolyse de

l'eau à haut rendement : plus de 90 %, contre 70 à 85 % pour les électrolyseurs industriels classiques. Moins médiatique que la pile à combustible s, l'électrolyseur est un élément clé du processus " dihydrogène-énergie ». C'est lui qui permet de fabriquer du dihydrogène " vert » à partir d'électricité éolienne ou solaire, plutôt qu'à partir d'hydrocarbures. Document 4 : Production industrielle de dihydrogène par vapocraquage

La quasi-totalité du dihydrogène produit aujourd'hui provient de la décomposition d'hydrocarbures.

Le principal procédé est le vaporeformage du méthane : il s'agit de " craquer » un hydrocarbure (le

méthane), en présence de vapeur d'eau et de chaleur, pour le séparer en dihydrogène et monoxyde

de carbone : H 2 et CO.

Matériel mis à disposition du candidat

un électrolyseur (de type " tulipe ») ; un flacon contenant 250 mL de sulfate de sodium (2 Na (aq) ; SO 42-
(aq)) saturée ; un bécher ; une pipette souple ; deux éprouvettes graduées de 20 mL ; une alimentation de tension continue réglable ; deux multimètres + notice d'utilisation ; un chronomètre ; six fils de connexion ; deux noix + supports pour maintenir les éprouvettes ; une paire de gants. Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

Page 5 sur 16 TRAVAIL À EFFECTUER

1. Expression du rendement d'un électrolyseur (20 minutes conseillées)

Exprimer le rendement de l'électrolyseur en fonction du volume V de dihydrogène produit, du volume molaire V

m de l'énergie E H2 nécessaire pour obtenir une mole de dihydrogène , de la tension

U, de l'intensité I du courant et de

la durée de l'électrolyse.

Identifier la méthode de mesure

utilisée pour chacune des grandeurs physiques nommées ci-dessus.

APPEL n°1

Appeler le professeur pour lui présenter les réponses ou en cas de difficulté Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

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2. Électrolyse (20 minutes conseillées)

Schéma de l'électrolyse :

Indiquer sur le schéma la place et les branchements de l'a ppareil nécessaire à la mesure de l'intensité du courant passant dans l'électrolyseur. Effectuer le montage en mettant en oeuvre le protocole suivant :

remplir convenablement l'électrolyseur de solution de sulfate de sodium ; les électrodes devant être

immergée s ; relier l'électrolyseur au générateur ainsi qu'aux instruments de mesure ;

remplir les éprouvettes avec la solution de sulfate de sodium. Les fermer avec le pouce (en mettant

des gants), puis les retourner au-dessus des électrodes. Les maintenir avec une pince tout en veillant

à ce qu'elle

s ne touchent pas le fond de l'électrolyseur.

APPEL n°2

Appeler le professeur pour lui présenter le montage.

Électrolyseur

Électrode où se

forme le dihydrogène U V COM Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

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Déclencher le chronomètre au moment où le générateur est mis en fonctionnement et qu'il débite un

courant. Régler alors très rapidement le générateur de façon à ce que l'intensité I traversant

l'électrolyseur soit voisine de 0,3 A. Laisser débiter le générateur en s'assurant que l'intensité reste constante.

Stopper l'électrolyse ainsi que le chronomètre lorsque le volume de dihydrogène formé est égal à V = 10,0 mL.

Noter la durée alors écoulée.

Renseigner le tableau suivant avec les valeurs de toutes les grandeurs physiques nécessaires au calcul du

rendement :

Grandeur

physique (unité)

Volume

V (L)

Résultat de la

mesure

APPEL FACULTATIF

Appeler le professeur en cas de difficulté

3. Calcul du rendement de l'électrolyseur (20 minutes conseillées)

Déterminer la valeur du rendement

r de l'électrolyseur.

Comparer le rendement obte

nu avec ceux obtenus dans l'industrie. Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017

Page 8 sur 16 Estimer l'incertitude absolue U() sur la valeur de la durée de l'expérience ainsi que celle U(V) sur la mesure du

volume de dihydrogène V : U( ) = ............................ U(V) = ............................

Présen

ter alors les résultats de la durée de l'expérience et du volume de dihydrogène V avec leur incertitude absolue associée.

= ..................................................... V = ......................................................

Quelle est alors la plus précise de ces deux mesures ? Justifier votre réponse en calculant les incertitudes

relatives. RAPPEL : L'incertitude relative sur la mesure d'une grandeur X est définie par U(X) X avec U(X) l'incertitude absolue sur la mesure de X.

Quelle(s) autre(s)

grandeurs(s) pourrai(en)t engendrer des incertitudes sur le calcul du rendement ? Défaire le montage et ranger la paillasse avant de quitter la sa lle. Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017
Page 10 sur 16 1. Expression du rendement d'un électrolyseur (20 minutes conseillées) La compétence S'APPROPRIER est mobilisée et évaluée dans cette partie.

Attention, il est impératif de remarquer que la compétence S'APPROPRIER est affectée d'un fort

coefficient. Avant l'appel n°1, l'examinateur devra suivre attentivement, en continu, la progression du

candidat pour l'orienter éventuellement, mais se gardera d'intervenir trop tôt, afin de laisser le

candidat mûrir sa réflexion.

Le critère retenu

pour l'évaluation de la compétence S'APPROPRIER est le suivant : rechercher, extraire et organiser l'information en lien avec une situation.

Pour évaluer cette compétence, l'examinateur observe en continu le travail expérimental du candidat et vérifie, au

cours de l'appel n°1, que:

L'expression du rendement est correcte.

Le rendement est exprimé en fonction des données de l'énoncé. Le candidat indique comment mesurer la durée de production de dihydrogène, la tension aux

bornes de l'électrolyseur, l'intensité le traversant et le volume de dihydrogène synthétisé.

Si nécessaire, l'examinateur intervient d'abord de façon ponctuelle et sous forme de questions pour guider le

candidat ou l'amener à rectifier par lui-même ses erreurs. Ensuite, l'examinateur peut intervenir pour apporter au

candidat une solution partielle. Enfin, si le candidat ne parvient toujours pas à progresser dans sa tâche,

l'examinateur peut lui apporter une solution totale.

Exemples de solutions

partielles pour la compétence S'APPROPRIER

Solution partielle 1

L'examinateur indique au candidat qu'il convient

d'utiliser l'expression du rendement qui figure dans le document 1

Solution partielle 2

L'examinateur indique au candidat que l'énergie totale reçue est l'énergie fournie par le générateur. Elle dépend de la tension électrique aux bornes de l'électrolyseur, de l'intensité électrique le traversant ainsi que de la durée de l'électrolyse.

Solution partielle 3

L'examinateur indique au candidat que l'énergie utile est définie dans le document 2.

Solution partielle 4

L'examinateur indique au candidat qu'u

ne tension électrique se mesure avec un voltmètre.

Une intensité électrique se mesure avec un

ampèremètre.

Solution partielle 5

L'examinateur indique au candidat que la durée

de l'électrolyse se mesure avec un chronomètre.

Le volume de dihydrogène produit est mesuré

par déplacement d'eau.

Solution partielle 6

L'examinateur indique au candidat que l'énergie utile est l'énergie chimique qui permet d'obtenir n moles de dihydrogène

Énergie utile = E

H2 .V V m Spécialité PRODUCTION DE DIHYDROGENE Session 2017
Page 11 sur 16 Exemples de solutions totales pour la compétence S'APPROPRIER

Solution totale 1

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