Du
carburant à partir de l'eau de mer, Bac S Inde 2018.
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La fabrication de carburant à partir de l'eau de mer comporte deux étapes :
- extraction du dioxyde de carbone contenu dans l'eau de mer ;
- faire réagir le dioxyde de carbone avec du dihydrogène pour la synthèse d'hydrocarbures.
Les chercheurs ont mis au point une cellule électrochimique qui, en
abaissant le pH de l'eau de mer, déplace les équilibres chimiques dans
l'eau et récupère jusqu'à 92 % du dioxyde de carbone que contient l'eau
de mer. Cette cellule fabrique simultanément du dihydrogène.
Pour la deuxième étape, un catalyseur transforme le dioxyde de carbone
et le dihydrogène en un mélange d'hydrocarbures, en particulier des
alcanes dont la chaîne carbonnée compte de 9 à 16 atomes de
carbone. Ce mélange liquide peut être utilisé pour remplacer le
carburant des avions du porte-avion.
Mais cette synthèse nécessite une très grande quantité d'énergie. Dans
un navire militaire, alimenté par des réacteurs nucléaires, cette
énergie peut être apportée par ces réacteurs.
D'après https://www.usinenouvelle.com.
L'objectif de ce problème est d'estimer le volume d'eau de mer nécessaire pour produire un litre de carburant pour avion.
Evolution de la concentration en CO2 dissout dans l'eau de l'océan atlantique Nord en fonction de la profondeur.
Profondeur (m)
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0
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100
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200
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300
| 400
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Quantité de CO2 ( µmol / kg)
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2060
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2100
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2130
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2150
| 2155
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Questions préalables.
1. Justifier le fait que les alcanes synthétisés à partir de l'eau de mer peuvent être utilisés comme carburant d'avion.
Le kérosène, carburant d'avions, est constitué d'alcanes comptant entre 10 et 16 atomes de carbone.
Or les alcanes synthétisés à partir de l'eau de mer comptent entre 9 et 16 atomes de carbone.
Ces deux types de carburant sont donc très proches.
2. Modéliser la
transformation intervenant dans la seconde étape du procédé en écrivant
une équation de réaction de synthèse d'un alcane à partir du dioxyde de
carbone et de dihydrogène, sachant qu'il se forme également de l'eau
dans cette synthèse.
10 CO2 + 31 H2 ---> C10H22 +20 H2O.
n CO2 + 3n+1 H2 ---> CnH2n+2 +2n H2O, aveec n compris entre 9 et 16.
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Problème.
Estimer le volume d'eau de mer nécessaire pour fabriquer 1 L de
carburant par ce procédé sans tenir compte de l'eau nécessaire à la
production de dihydrogène.
Calculs fait pour l'alcane comptant 13 atomes de carbone.
Masse volumique 0,756 ; masse molaire : 184 g/mol.
Masse d'un litre : 756 g.
Quantité de matière 756 / 184 =4,11 mol
Quantité de matière de CO2 : 13 x4,11 =53,4 mol.
A 100 m de profondeur, masse d'eau de mer nécessaire : 53,4 / (2100 10-6) = 2,54 104 kg.
En tenant compte du rendement : 2,54 104 /0,92 =2.76 104 kg.
Massse volumique de l'eau de mer 1,03 kg / L.
Volume d'eau de mer : 2,76 104 / 1,03 ~2,7 104 L ou 27 m3.
A 300 m de profondeur, masse d'eau de mer nécessaire : 53,4 / (2150 10-6) = 2,48 104 kg.
En tenant compte du rendement : 2,48 104 /0,92 =2.70 104 kg.
Massse volumique de l'eau de mer 1,03 kg / L.
Volume d'eau de mer : 2,70 104 / 1,03 ~2,6 104 L ou 26 m3.
Mêmes calculs pour les autres alcanes :
nombre de carbone n
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9
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10
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11
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12
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13
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14
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15
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16
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Volume d'eau à 100 m de profondeur (m3)
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25,3
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25,8
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26,2
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26,6
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27
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27,1
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27,3
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27,5
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Valeur moyenne du volume d'eau de mer : 26,6 m3.
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