La maquette ci-dessus (à gauche) représente la production de l'énergie électrique à partir d'une solution ionisée d'eau et de soude. Celle de droite contient dans son réservoir de l'urine. Le volume étant le même (75 cL), on se propose de comparer la production d'électricité de chacun des systèmes qui se traduit par la rotation du disque de Newton que l'on peut d'ailleurs observer dans chacune des deux vidéos ci-dessus. On constate que ce-dernier tourne en moyenne deux fois plus vite avec l'électrolyse de l'urine qu'avec l'électrolyse de l'eau, même avec ajout de soude.
Nos recherches sur les constituants de l'urine nous ont permis de supposer que de l'énergie pourrait être produite de ce liquide. En effet grâce à un système d'électrolyse combiné à une pile à hydrogène (transformant l'hydrogène en électricité), nous avons pu produire de l'électricité. Puis nous avons comparé deux types d'électrolyse : une avec de l'eau et de la soude, une autre avec de l'urine humaine. Nous avons donc réalisé deux vidéos, l’une représentant l’électrolyse de l’eau et de la soude et l’autre l’électrolyse de l’urine humaine.
Le système d'électrolyse combiné à une pile à combustible permet de produire de l'électricité. Mais l'usage du dihydrogène peut être différent. En effet, le dihydrogène est un très bon combustible, utilisable pareillement dans les moteurs thermiques à la place de l'essence, l'éthanol et tous les gaz naturels ou pétroliers distillés.
De plus, l'hydrogène produit le plus d'énergie, en témoigne son pouvoir calorifique à peu près 3 fois plus élevé que le gaz naturel, et 7 fois plus élevé que le charbon.
Ce qui fait de la flamme d'hydrogène une flamme dont la température est très élevée. Cette flamme peut être utilisée dans d'autres domaines comme la métallurgie (postes de soudure).
Dans la vidéo ci-dessous, nous avons essayé de faire une flamme en continu, alimentée par l'hydrogène issu de l'électrolyse de l'urine. Pour cela, nous avons fabriqué un embout qui permet de brûler le gaz (hydrogène) en direct. Cet embout est très étroit (nous avons utilisé un embout qui sert à gonfler certains ballons), ce qui permet d'obtenir une flamme stable. Nous avons également installé un système de réfrigérant qui permet de refroidir l'embout, et d'empêcher la flamme de le faire fondre, ainsi qu'un robinet qui permet de réguler la quantité de gaz sortant.
Mais comment fonctionne la pile à Hydrogène ?
La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion électrochimique et contrôlée de dihydrogène et de dioxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, selon la réaction chimique suivante :
2 H2 (g) + O2 (g) =2 H2O (l)
Pour mettre en œuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes l’anode et la cathode séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Cette réaction est déclenchée en utilisant un catalyseur, en général du platine.
À la cathode, pôle positif de la pile, le comburant mis en jeu est toujours le dioxygène du couple O2 (g)/ H2O (l), selon la demi-équation électronique : O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e- = 2 H2O (l)
À l'anode, pôle négatif de la pile, le combustible utilisé est le dihydrogène H2 du couple H+ (aq) / H2 (g), selon la demi-équation électronique : H2 (g)=2 H+ (aq) + 2 e-
Dans notre cas, l'hydrogène utilisé provient de l'électrolyse de l'urine, et le dioxygène de l'air.
Ainsi, le fonctionnement d'une pile à hydrogène est l'inverse du fonctionnement d'une électrolyse (expliqué précédemment). Le schéma ci-dessous en résume le principe et la photo représente la pile à hydrogène que nous avons utilisé :
L'urine : Une source d'énergie pour demain ?
Pile à hydrogène mise à notre disposition par le lycée Descartes
Fonctionnement de la pile à hydrogène
Nous avons ensuite essayé de cuire un morceau de viande avec cette flamme. Le résultat est surprenant : le morceau de viande cuit en moins de 30 secondes ! Et à peine laissé plus de 3 secondes sur la flamme, celui-ci brûle complètement !
Le tableau ci-dessus montre clairement le pouvoir calorifique supérieur du dihydrogène par rapport à d'autres combustibles comme le gasoil ou le gaz naturel (l'énergie fournie lors de la combustion du dihydrogène est donc supérieure à celle libérée lors de la combustion des autres combustibles).
Afin de mettre en évidence la supériorité de l'énergie libérée par la combustion du dihydrogène par rapport à d'autres gaz, nous allons comparer, dans les vidéos ci-dessous, l'effet d'une flamme alimentée en dihydrogène et une autre alimentée au butane (briquet) sur un fil en fer.
On constate que la flamme alimentée en dihydrogène fait complètement rougir le fil de fer, tandis que la flamme alimentée au butane n'a presque aucun effet sur lui, malgré le fait qu'on ait laissé le fil de fer au contact de la flamme de butane plus longtemps.
VS
Flamme alimentée en dihydrogène
Flamme alimentée en butane
Grâce à notre système, nous avons donc produit du dihydrogène à partir de l'urine. Mais après cette opération, il reste un liquide résiduel que l'on appellera "urine électrolysée", c'est à dire l'urine restante après avoir prélevé tout le dihydrogène qu'elle contient. Nous allons tenter d'en savoir plus sur ce liquide, à quoi peut-il nous servir?