TPE ETHANOL: janvier 2010

Présentation

Bienvenue !

Ce blog est dédié à la présentation de notre T.P.E (Travaux Personnels Encadrés) élaboré par des élèves de 1ères du lycée Notre Dame de Bellegarde et consacré à l'utilisation du bioéthanol en tant que biocarburant.

Nous remercions nos professeurs qui nous ont aidés et dirigés ainsi que toutes les personnes que nous avons pu rencontrer, qui nous ont donné de leur temps.

Pour tout renseignement, suggestion ou autre demande, veuillez nous contacter par mail à l'adresse suivante : tpe1@hotmail.fr .

Bonne visite sur notre blog !

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Charles Peters, Louis Chailloux, Etienne Comi, Florent Bernard de Villeneuve

Introduction

Dans les temps actuels, la question environnementale est omniprésente. Dans le cadre du développement durable, l'industrie automobile agit à son tour : voitures électriques, voitures hybrides, technologie fuel flex, utilisation de biocarburants...

En effet, les stations de biocarburants, notamment de bioéthanol, fleurissent à vue d'oeil. Nous nous sommes donc intéressé à ce dernier depuis sa fabrication jusqu'à son utilisation en tant que biocarburant.

En quoi le bioéthanol est il utilisable comme biocarburant?

Nous verrons dans un premier temps la composition et la fabrication du bioéthanol , puis dans un second temps son utilisation en tant que biocarburant.

I . La production de bioéthanol

Le bioéthanol résulte de la transformation du glucose; celui-ci est récupéré dans différentes cultures notamment de betteraves, canne à sucre, blé, maïs ... Le glucose subit tout d'abord une étape de fermentation en présence d'autres éléments.

La fermentation

La fermentation consiste en l'approvisionnement d'énergie aux cellules en milieu anaérobie, cela en convertissant l'énergie présente dans une source de carbone, tel que le glucose dans notre cas.
On retrouve plusieurs types de fermentation : fermentation alcoolique, fermentation lactique. Dans notre cas nous traiterons de la fermentation alcoolique.

Le glucose est donc introduit dans une solution d'eau et de levures ( ou bactéries ), êtres vivants capables de provoquer la fermentation grâce à leur enzyme : la zymaze. La température idéale de fermentation varie entre 30°C et 35°C.
La fermentation permet donc une légère production d'éthanol; en effet, l'alcool constitue un antiseptique pour les levures à faible concentration, mais il devient un poison à trop forte concentration.

Équation simplifiée de la réaction de fermentation :

C6H12O6 --> 2C2H6O + 2CO2

Cette réaction a pour conséquence de libérer de l'énergie.

Après ces rappels théoriques, passons à la pratique :
Tout d'abord, nous avons préparé une solution aqueuse de glucose à 30%, à laquelle des levures de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) ont été ajoutées.Il nous a fallu déterminer la masse de glucose anhydre à introduire dans la solution.

Pour 1000 mL de solution, le volume de glucose à ajouter équivaut à V=300 mL soit 3,00.10^(-4) m^3.

La masse volumique du glucose µ étant de 1,54 kg/m3 ,

nous avons pu déduire la masse de glucose m à insérer:

m= µ.V A.N. : m=462 g

Nous avons donc laissé fermenter la solution anaérobie durant deux semaines (voir photo ci contre); l'observation d'un dégagement gazeux ( production de CO2, voir équation de la réaction ) à l'ouverture du bocal nous prouve bien qu'il y a eu réaction chimique,en l'occurrence, fermentation. La fermentation a donc permis la production d'éthanol, d'eau, et d'autres éléments chimiques tel que le méthanol ( substance
toxique).

La distillation

La distillation est une méthode de séparation basée sur la différence de température d'ébullition des différents liquides qui composent la solution. Notre objectif étant d'obtenir une solution d'éthanol la plus concentrée possible, nous avons distillé la solution obtenue.
Pour éviter toute récupération de méthanol dans le distillat final, nous avons tout d'abord procédé à l'évaporation du méthanol : sa température d'ébullition étant de 65°C, nous avons dans une première partie chauffé la solution à 65°C afin de garantir l'élimination totale du méthanol ; celui-ci est rentré en ébullition, passé de l'état liquide à gazeux puis s'est recondensé et a été récupéré et mis a part.

Dans une seconde partie, nous avons extrait l'éthanol de la solution fermentée :

la température d'ébullition de l'eau étant de 100°C et celle de l'éthanol de 78°C, nous avons veillé à chauffer la solution à une température entre 78°C et 90°C pour veiller à ce que tout l'éthanol soit récupéré et que l'eau reste dans le ballon . La distillation a été réalisée selon le montage suivant :

Matériel nécessaire :
- chauffe-ballon
- ballon de 100ml
- colonne de distillation
- potence
- noix
- deux élévateurs
- éprouvette graduée de 10ml

A la fin de cette expérience, nous avons récupéré un distillat d'une dizaine de millilitres.Afin de vérifier la concentration en éthanol de ce distillat, nous avons tout d'abord utilisé un processus exao, ainsi qu'une sonde à éthanol ( voir schéma ci-dessous) :

Notre distillat obtenu s'est avéré trop concentré en éthanol, et la sonde , au contact des gaz libérés par le distillat a été totalement saturée; ainsi, les résultats obtenus n'ont pu être exploités, et l'utilisation d'autres moyens à du être envisagée : l'utilisation d'un titrage.

Le titrage :

Afin de vérifier que notre distillat a une concentration alcoolique importante ( 90% ) nous nous proposons donc maintenant de titrer ce distillat. Le titrage consiste à doser la quantité d'un corps dissous( réactif à titrer ) en introduisant dans les quantités stœchiométriques un autre réactif (dit titrant). Pour titrer l'éthanol, il faut introduire le réactif titrant ( permanganate de formule MnO4-, présent dans une solution de permanganate de potassium) en excès. Nous avons donc titré l'excès de permanganate à l'aide d'ions Fe2+ présents dans le sel de Mohr préalablement dissout dans de l'eau à concentration suffisante.

Titrage en retour :

Lors de ce titrage nous considérerons que le distillat obtenu est à 100% de l'éthanol ( ceci n'étant qu'une considération car notre but est de déterminer sa vrai concentration en éthanol). Nous titrons 1mL d'éthanol dissout dans 10mL d'eau.
Tout d'abord il nous faut titrer l'éthanol avec des ions permanganate Mn04- introduis en excès et présents dans une solution de permanganate de potassium de concentration c1= 0,2 mol/L.
La réaction qui se produit est une réaction d'oxydation de l'éthanol selon l'équation suivante :
5C2H5OH + 4MnO4- + 12H+ --------> 5C2H4O2 + 4Mn(2+) +11H2O

Il faut acidifier le milieu de la réaction pour qu'elle puisse avoir lieu. Pour cela nous avons ajouté de l'acide sulfurique en excès.

Calcul de la quantité présumée d'éthanol n(éthanol) pour pouvoir par la suite introduire les ions permanganate en excès.

En sachant que l'éthanol à une masse volumique µ(éthanol) et une masse molaire M(éthanol). Comme on dose 1mL d'éthanol, on dose un volume V=1cm3 d'éthanol. D'où on a:

m(éthanol) = µ(éthanol) x V
A.N [ µ(éthanol)=0,79g/cm3 ]
m(éthanol)=0,79g

La quantité d'éthanol présumée à titrer est donc:

n(éthanol) = m(éthanol)/M(éthanol)
A.N [ m(éthanol) = 0,79g; M(éthanol) = 46g/mol ]

n(éthanol) = 0,017 mol

Il nous faudra donc introduire au minimum (4/5)*0,017 mol d'ions permanganate dans le distillat d'après l'équation de la réaction. Soit la quantité n(min. permanganate) = 0,014 mol

On dispose d'une solution de permanganate de potassium de concentration c1 = 0,2 mol/L. Soit V1 le volume de solution de permanganate minimum à ajouter dans le distillat.

V1 = n ( min. permanganate ) / c1

A.N [n(min. permanganate) = 0,014mol ; c1 = 0,2 mol/L ]

V1 = 7.10^(-2)L = 70mL

Nous nous proposons de verser un volume V =100mL de solution de permanganate de potassium pour être forcément en excès, condition essentielle de ce titrage en retour.

On obtient donc une quantité n(permanganate) d'ions permanganate versée dans le distillat.

n (permanganate) = V*c1

A.N[ V = 0,1L ; c1 = 0,2mol/L ]

n (permanganate) = 0,020 mol

Observations : Lors de l'expérience nous avons rencontré différents problèmes :

-lors de l'introduction de la solution de permanganate de potassium dans le distillat d'éthanol acidifié, nous aurions dû avoir un liquide violet dû au permanganate en excès, cependant nous observons une solution marron, colorée par la formation de MnO2. L'apparition de MnO2 peut être dû à l'ajout trop faible de permanganate en excès ( pourtant 30% supérieur à la quantité d'ions permanganate dans les proportions stœchiométriques), soit à la solution de permanganate de potassium utilisée qui aurait donc été moins concentrée que prévu.

D'après cela, nous pouvons trouver la quantité minimale d'ions permanganate en excès dans le milieu de la réaction. Soit n' cette quantité. D'après le tableau d'avancement de la réaction nous pouvons écrire:

n' = n (permanganate) - 4*Xf = n (permanganate) -4*[ n(éthanol) / 5 ]

A.N[ n(permanganate) = 0,020 mol; n(éthanol) = 0,017 mol ]

n' = 6,4.10(-3) mol

Nous pouvons donc maintenant doser précisément l'excès d'ions permanganate en les faisant réagir avec des ions fer II présents dans une solution de sel de Mohr.

La réaction qui se produit, se déroule selon l'équation suivante :

MnO4- + 5Fe(2+) + 8H+ -----> Mn(2+) + 4H2O + 5Fe(3+)

La réaction a lieu en milieu acide, pour cela nous avons ajouté de l'acide sulfurique en excès dans le milieu réactionnel.

D'après l'équation de la réaction, l'équivalence aura lieu après l'ajout d'une quantité cinq fois supérieure à la quantité d'ions permanganate présents.

Soit n" la quantité d'ions Fe(2+) à verser dans le milieu réactionnel pour arriver à l'équivalence.

n" = 5n'

A.N[ n' = 6,4.10(-3) mol ]

n" = 3,2.10(-2) mol

On se propose d'ajouter au minimum cette quantité de matière car le distillat n'étant pas pur, la quantité d'ions permanganate sera supérieure à celle calculée.
Les ions Fe(2+) présents dans le mélange résulte de la dissolution de Sel de Mohr hydraté de formule FeSO4, (NH4)2SO4.

D'où l'équation de dissolution : FeSO4, (NH4)2SO4 ----> Fe(2+) + SO4(2-) +2(NH4+) + SO4(2-)
=> Pour n moles de Sel de Mohr dissout on obtient n moles d'ions Fe(2+).

On veut préparer une solution de sel de Mohr de volume V"= 25mL suffisamment concentrée pour avoir un volume de cette solution versé à l'équivalence égal à 10mL.
Si l'on a une solution de sel de Mohr contenant 3,2.10(-2) mol d'ions fer II dans 10mL, on a une concentration de 3,2.10(-3) mol/mL soit 3,2 mol/L.
On prépare donc une solution de 25mL concentrée à une concentration c" = 3,2 mol/L. On a donc une quantité de matière n2 d'ions Fe(2+) :

n2 = c"*V"

A.N [c"= 3,2 mol/L; V"= 0,025L]

n2 = 0,080 mol

Pour cela il faudra dissoudre une masse m de sel de Mohr hydraté de masse molaire M( sel de Mohr ).

m = M( sel de Mohr )*n2

A.N[n2= 0,080 mol; M( sel de Mohr )= 392,14 g/mol]

m = 32 g

Observations : Lors de la mise en pratique de notre titrage en retour, nous avons rencontré le problème de limite de solubilité du sel de Mohr dans de l'eau : En effet, d'après nos calculs il aurait été possible de dissoudre 32g de sel de Mohr dans 25mL d'eau pour satisfaire à la quantité d'ions Fe(2+) nécessaire. Cependant 32g de sel de Mohr, ne pouvant pas être dissouts dans 25 mL d'eau, nous nous proposons de prélever 1mL de notre solution obtenue après la réaction de l'éthanol avec les ions permanganate afin d'avoir 100 fois moins, soit 0.30g de sel de Mohr a dissoudre dans 25mL d'eau. Par la suite nous avons remarqué qu'il nous faudrait préparer une solution de sel de Mohr de 50mL et non de 25mL afin de pouvoir antérieurement rincer la burette et avoir une marge d'erreur dans la quantité de cette solution à verser.

Nous avons donc décidé d'arrêter notre TP face au manque de temps et de moyens et face aux différents problèmes qui nous ont appelé à réfléchir aux différentes causes d'erreur lors de ce TP. Il s'agissait de recherches expérimentales qui nous ont tout de même permis de comprendre de nombreuses choses liées au bioéthanol.

Nous vous invitons maintenant à poursuivre votre visite sur le blog pour découvrir dans une seconde partie l'utilisation de l'éthanol comme carburant.

II . Utilisation du bioéthanol en tant que biocarburant

Rappels de mécanique

La majorité des moteurs utilisés dans l’industrie automobile sont des moteurs thermiques à combustion interne et fonctionnant en quatre temps.
Le fonctionnement repose sur la combustion dans les chambres de combustion d’un mélange air-essence. Le mélange idéal pour cette combustion est 1g d’essence pour 14,6g d’air, on parle alors de mélange stœchiométrique.

Le fonctionnement du moteur s’effectue en quatre temps (cf schéma ci dessus):

1) L’admission : le piston descend et aspire ainsi le mélange air-essence qui rentre par la soupape d’admission. La chambre de combustion est alors remplie par le mélange.

2) La compression : le piston remonte et comprime le mélange dans le cylindre.

3)La combustion : une étincelle, générée par la bougie, enflamme le mélange. L’explosion fait redescendre le piston

4) L’échappement : le piston remonte et évacue les gaz brûlés par la soupape d’échappement.

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Un carburant, par définition , est un combustible qui alimente un moteur thermique. Ce dernier transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique. Comme son nom l'indique, un carburant contient du carbone. On peut distinguer différents carburants : les biocarburants, provenant de végétaux par exemple, et les carburants dits "fossiles" qui proviennent de la transformation des matières organiques mortes mélangées à divers minéraux. De nos jours, le carburant le plus commun est l'essence : il s'agit d'une substance obtenue par distillation du pétrole et par conséquent très inflammable.

Nous nous sommes spécialement intéressés au cas du bioéthanol ; un combustible contient obligatoirement des atomes de carbone puisqu'il rejette du dioxyde de carbone lors de la combustion. Le bioéthanol, de formule C2H6O , contient bien des atomes de carbone. Il est donc bien combustible, et est donc un biocarburant puisqu'il provient de la fermentation de levures, comme vu dans la première partie. En revanche, son taux de combustion est inférieur à celui de l'essence; il ne peut donc être utilisé à lui seul en tant que biocarburant pour faire fonctionner un moteur quatre temps. Il faut donc créer une solution d'essence et de bioéthanol pour faire fonctionner un moteur quatre temps.

Dans le cadre de notre TPE, nous nous sommes occupés de l'utilisation de l'éthanol comme carburant pour un moteur n'ayant subi aucune modification.

Mise en marche d'un moteur à l'aide de l'éthanol

Le but de cette manipulation est de voir en quelles proportions d'éthanol et d'essence une solution peut elle servir de carburant pour un moteur quatre temps d'une tondeuse non modifié. Pour cette manipulation, nous avons utilisé de l'éthanol, procuré en pharmacie, puisque la quantité obtenue en bioéthanol dans la première partie ne fut pas suffisante. Par ailleurs, l'intérêt ici est la concentration en molécule d'éthanol dans le carburant. La méthode d'obtention de cette molécule n'est donc pas importante, mais nous considérerons que nous disposons d'une solution à 100% d'éthanol, obtenu biologiquement.

-Mélange à 10% d'éthanol pour 90% :Pour un volume V de 500 mL, nous avons introduit 450 mL d'essence et 50 mL d'éthanol.

La tondeuse fonctionne sans signe de faiblesse !

-Mélange à 30% d'éthanol. La solution dans la tondeuse ayant un volume de 500mL et une concentration de 10% d'éthanol, il a fallu rajouter 85 mL d'éthanol pour augmenter la concentration jusqu'à 30% d'éthanol. Ainsi, le nouveau volume total V' a l'intérieur de la tondeuse est de 585 mL, dont un volume Veth d'éthanol de135 mL et un volume Vess d'essence de 450mL. La concentration C' en pourcentage est donc de:

C'= Veth/Vess * 100 =30%

La tondeuse fonctionne, mais le moteur a quelques signes de faiblesse : le bruit est assez rauque

-Mélange à 50%. La solution dans la tondeuse ayant maintenant un volume de 585mL et une concentration de 30% d'éthanol, il a fallu rajouter 90 mL d'éthanol pour augmenter la concentration jusqu'à 50% d'éthanol. Ainsi, le nouveau volume total V'' a l'intérieur de la tondeuse est de 675 mL, dont un volume Veth' d'éthanol de225 mL et un volume Vess' d'essence de 450mL. La concentration C'' en pourcentage est donc de:

C''= Veth'/Vess' * 100 =50%

La tondeuse démarre et s'arrête quasiment immédiatement: plusieurs hypothèses s'offrent à nous :
- La solution n'est donc plus assez combustible
- Le moteur a été endommagé
- L'injection du carburant n'est plus assez importante

En effet le pouvoir calorifique de l'éthanol, autrement dit l'énergie qu'il dégage lors de sa combustion, est inférieur à celui de l'essence (21200kj/L contre 35475kj/L pour l'essence). Il faudra ainsi injecter plus de carburant dans le moteur pour permettre à ce dernier de fonctionner "normalement".
De ce fait, des modifications au niveau des injecteurs devront être faites mais ceci sort du cadre de notre TPE.

Ainsi, sans modifications du moteur, une automobile peut rouler avec un mélange contenant un quantité inférieur à 10% d'éthanol sans réel risques pour sa mécanique. Certains moteurs de voiture tolèrent jusqu'à 20% d'éthanol mais il est déconseillé d'aller au delà.

L'éthanol peut dès lors être considéré comme un carburant. Cependant pour être utilisé en tant que tel, il est préférable de posséder un véhicule adapté et de se rendre dans les stations services délivrant des mélanges conçus spécialement, dont le fameux E85.

Conclusion

En conclusion, le bioéthanol, créé à partir d'éléments naturels et donc renouvelable, peut constituer un biocarburant révolutionnaire. Cependant, celui-ci ne peut être utilisé, sur des moteurs non modifiés, qu'à une faible quantité mélangée avec de l'essence mais pourrait constituer un biocarburant à lui seul sur des moteurs préalablement élaborés dans ce but. Cette technologie se développant, le bioéthanol semble donc être une bonne solution face aux énergies fossiles.
Il faudra cependant analyser les aspects écologiques et économiques qu'engendrerait l'utilisation de bioéthanol en tant que biocarburant sur le long terme.

Lexique

Voiture hybride : une voiture dite hybride fait appel a plusieurs sources d'énergie pour entrer en mouvement.
Technologie fuel flex : système permettant aux voitures qui le possèdent de rouler avec de l'essence SP95 et de l'E85
Biocarburant : un biocarburant est un carburant liquide produit a partir de matériaux organiques non fossilisés.
Glucose: le glucose est un glucide (sucre) présent chez les êtres vivants.
Antiseptique: substance qui détruit les microbes et germes pathogènes.
Enzyme: protéine accélérant les réactions normales chez les êtres vivants. ce sont des bio-catalyseurs.
Solution aqueuse : une solution aqueuse est une solution dont le solvant est l'eau.
Anaérobie : un milieu dit anaérobie est un milieu ou il n'y a pas de dioxygène présent.
Méthanol : ou alcool méthylique dont la molécule 4 atomes d'hydrogène, 1 atome de carbone et 1 atome d'oxygène. Il s'agit d'une substance très toxique.
Oxydation : on dit qu'une molécule s'oxyde lorsque celle-ci perd un ou plusieurs électrons, parfois accompagné d'une perte d'ions H+
Moteur thermique a combustion interne : est un dispositif provoquant une combustion créant ainsi de l'énergie thermique que celui-ci va transformer en énergie mécanique par la suite.
Injecteurs : éléments chargés de délivrer la bonne quantité de carburant dans le moteur.
Pouvoir calorifique : énergie dégagée sous forme de chaleur lors de la combustion d'un matériau. Il s'exprime généralement en kilojoule par kilogramme, ou par mole ou encore par litre.
E85 : il s'agit du nom donné au mélange essence-éthanol utilisable comme biocarburant et étant disponible dans les stations services. Le "E" correspond à l'éthanol et le chiffre qui suit correspond au % d'éthanol dans le mélange (ici 85% d'éthanol, 15% d'essence).