Le fonctionnement du moteur à hydrogène

 

1/ L’hydrogène


-> Un peu d’histoire…

 Au 19ème siècle, l’hydrogène était déjà utilisé pour chauffer les maisons. Il fut remplacé par le gaz naturel et le pétrole beaucoup moins coûteux.

Le voilà aujourd’hui qui retrouve ses lettres de noblesses, puisque des moteurs à hydrogène propulsent Ariane dans l’espace.

Avant de pouvoir expliquer en détail le fonctionnement du moteur à hydrogène, il faut tout d’abord savoir qu’est ce que l’hydrogène et quels sont ses différents processus de fabrication? 

 

 

-> Ce n’est pas une source d’énergie…


L’hydrogène, très à la mode de nos jours, est considéré comme une solution énergétique pour les générations futures. L’hydrogène n’existe néanmoins pas à l'état naturel sur Terre. C’est pour cela que nous allons étudier les différents modes de fabrication de ce vecteur énergétique.

Il ne peut donc pas être considéré comme une source énergétique car ce n’est pas une énergie fossile ou renouvelable mais simplement comme un vecteur énergétique (moyen de transférer de l’énergie).

 

-> Mais alors qu’est ce que l’hydrogène ?


 Un proton, un électron… l’atome d’hydrogène est le plus simple de tous les atomes.

La molécule d’hydrogène se présente le plus souvent sous la forme d’un corps simple gazeux : c’est le dihydrogène H2 souvent appelé hydrogène. Il est contenu dans un grand nombre de molécules de notre quotidien (eau, sucre, protéines …)

 Etonnamment l’hydrogène sous forme solide est un métal (l’hydrogène métallique) puisqu’il cristallise avec une liaison métallique. Il n’est toutefois pas présent sur Terre et n’est donc pas considéré comme un métal en chimie.

 

 

 

C'est le gaz le plus léger du monde. 1 litre pèse moins de 90 milligrammes.

 

-> Comment le produire ?

 

En effet puisque l’hydrogène n’existe pas sur Terre, il a fallu et il faudra dans le futur développer les méthodes de productions moins coûteuses et plus rentables. Voici les différentes façons de produire de l’hydrogène, actuellement certaines sont déjà arrivées à maturité technologique et d’autres sont encore au stade de développement et d’étude.

  •    On peut donc le créer à partir de carburants fossiles (plusieurs méthodes) : vaporéformage, oxydation partielle.
  •   Mais aussi à partir de l’électrolyse de l’eau (appelée plus couramment crack de l’eau), l’électricité viendrait des énergies renouvelables.
  •   A partir de Biomasse

 

  • La production d’hydrogène à partir des carburants fossiles est la plus répandue actuellement.

Mais cette technique ne constitue pas une solution à terme puisque les hydrocarbures ont une durée de vie limitée. On distingue 2 procédés différents pour ce style de fabrication :

* le Vaporéformage : il consiste à faire réagir un hydrocarbure (essence, butane..) avec de l’eau grâce à l’action d’un catalyseur. Actuellement il est surtout crée par la réaction entre l’eau et des hydrocarbures gazeux (composé en grande partie de méthane puis composé de souffre et de CO2). Il doit être éliminé par la désulfuration. Le vaporéformage se scinde en 2 réactions : tout d’abord celle du méthane et de l’eau qui produit du CO et de l’hydrogène puis la réaction entre l’eau et le COˉ :

CH4 +H 2O ----> CO + 3 H 2

CO+H 2O ---->CO2 + H2

 

*l' Oxydation partielle : Elle consiste en une réaction entre un hydrocarbure ou un gaz naturel avec l’oxygène, suivie d’une purification du gaz puisqu’il y a présence de monoxyde de carbone (CO). La première réaction celle de l’oxydation a lieu à haute température et à haute pression. La réaction s'écrit:

CnHm + n/2 02 ----> m/2 H2 + nCO

Elle est suivie d’une réaction entre l’eau et le CO et des techniques de purification.

 

  • L’électrolyse de l’eau ;

C'est un procédé électrolytique qui décompose l’eau en dioxygène et dihydrogène gazeux grâce à de l’électricité. La cellule électrolytique est formée de 2 électrodes le plus souvent en platine. Ces électrodes sont placées dans l’eau et connectées à 2 pôles opposés de la source de courant.

 

  • La biomasse :

Cela permet aussi de produire de l’hydrogène mais cette technique n’est pas encore mûre actuellement .Il existe plusieurs méthodes : La transformation en alcool ou en méthane puis un reformage ou la thermolyse et gazéification de la biomasse suivie aussi d’un reformage.

 

-> Comment le stocker ?


Une fois créé, il faut pouvoir le stocker.

La nature fortement inflammable de l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air fait souvent craindre des risques d'explosion quand il est stocké en quantité. Les catastrophes qui ont touché des dirigeables gonflés à l'hydrogène, comme le Hindenburg, ont marqué les esprits.

On notera toutefois que l'hydrogène est très volatile et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que s’il entre facilement en combustion, les véritables explosions sont très rares.

 

Plusieurs méthodes s’offrent à nous pour le stocker :

  1. -Stockage gazeux à pression faible : c’est la méthode la plus simple pour le stocker, mais il nécessite un volume très important car les molécules d’hydrogènes ne sont pas concentrées.
  2. -Stockage gazeux à pression importante : Le volume de stockage est nettement plus petit et sa quantité est souvent plus importante que le stockage gazeux à pression faible mais cette technique nécessite de l’énergie pour pouvoir compresser l’hydrogène.
  3. -Stockage liquide : Son volume est encore plus faible que les 2 autres techniques vues auparavant. Mais elle nécessite une dépense d’énergie très importante pour le passage de l’état gazeux à l’état liquide. C’est la technique utilisée dans le domaine spatial.Cette technique demande d’énormes précautions car comme l’hydrogène est le plus petit élément chimique, son stockage nécessite l’utilisation de matières qui empêchent les fuites.
  4. -Stockage moléculaire : C'est un des axes de recherche prometteurs qui va permettre d'utiliser l'hydrogène pour nos voitures . L'hydrogène est plus inflammable et explosif que l'essence et son stockage constitue cependant un problème. Afin de le résoudre, quelques équipes à travers le monde étudient la piste des hydrures métalliques. Ces alliages sont, en effet, capables d'absorber et de stocker l'hydrogène, à l'image d'une éponge, de manière stable et sûre. L'alliage métallique LaMg2Ni (lanthane, magnésium, nickel) est un conducteur électrique. En présence d'hydrogène (H2), il forme l'hydrure métallique LaMg2NiH7 qui, lui, est un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques). De plus, les chercheurs ont enfin compris le mécanisme d'absorption pour ce type d'hydrures, qui peuvent contenir désormais une plus grande densité d'hydrogène que l'hydrogène! Pour conclure, cet hydrure est lourd, cher et complexe à créer. Néanmoins des sous-marins allemands et bientôt grecs fonctionnent grâce à ce type de stockage.

 

-> Quelques chiffres:


- Production 2007 : 6,5 milliards de m3 d’hydrogène.

- 1800 km de canalisations (le 1er réseau mondial).

- 50% d’augmentation de la capacité mondiale de production au cours des trois dernières années..

- Près de 40 stations hydrogène aujourd’hui dans le monde.

 

 

 

 

 

2/ Le moteur à hydrogène

 

 

-> Il y a deux sortes de moteurs à hydrogène :

 

- Le moteur à combustion interne réétudié et amélioré utilisant l’hydrogène comme carburant.

 

Plus précisément il utilise le principe de la combustion de l’hydrogène (H2) et du dioxygène (O2) pour ne dégager que de l’eau.

L’hydrogène étant un gaz très explosif au contact de l’oxygène, ils vont réagir dans la chambre de combustion une explosion va donc être créé qui poussera le piston.

C’est exactement le même système que pour le moteur à combustion interne.

 

 

 

- La pile à combustible

Une pile à combustible est un générateur qui convertit directement l'énergie interne d'un combustible en énergie électrique, en utilisant un procédé électrochimique contrôlé. Par ailleurs, le combustible est fourni en continu à la différence des piles traditionnelles (pile au Zinc). On peut ainsi obtenir du courant de façon continue. L'un des intérêts de la pile à combustible réside dans le fait que les températures sont d'un plus faible niveau que dans les turbines ou les moteurs à combustion. Ceci permet entre autres d'éviter la formation de NOx*. Cependant à ce niveau de température, la plupart des carburants carbonés traditionnels sont trop peu réactifs et seul l'hydrogène convient.

Le méthanol peut aussi être utilisé dans les piles directes à méthanol, mais leurs performances restent pour le moment inférieures à celles des piles à hydrogène. Pour utiliser des combustibles type méthane ou autres alcools, il faut des températures de fonctionnement bien plus élevées: 800 à 1000°C. La réalisation de piles fonctionnant à de telles températures est problématique: on préfère donc utiliser de l'hydrogène.

* NOx : abréviation utilisée dans le domaine de la chimie, de la pollution et de la qualité de l'air, qui regroupe les oxydes d'azote, principalement le NO et le NO2, deux gaz odorants et toxiques à faible dose ; l'irritation des muqueuses commence dès que leur teneur (en volume) dépasse 0,0013 %.

 

 

 

-> Principe de la pile à combustible

 

Une cellule élémentaire est constituée de 3 éléments:

• deux électrodes,

• un électrolyte

Les deux électrodes sont séparées par l'électrolyte. A l'anode, on amène le combustible (l'hydrogène). La cathode est alimentée en oxygène (ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène).

Il y a donc des réactions qui vont se produire :

Dans le cas d'une pile hydrogène-oxygène, on a une oxydation de l'hydrogène à l'anode selon:

 

H2 2 H+ + 2 e-       électrolyte acide

H2 + 2 OH- 2 H2O + 2 e-       électrolyte basique

 

Il s'agit d'une réaction catalysée. L'atome d'hydrogène réagit en libérant deux électrons, qui circulent dans le circuit électrique qui relie l'anode à la cathode.

A la cathode, on assiste à la réduction cathodique (également catalysée) de l'oxygène selon:

1/2 O2 + 2 H+ + 2e- H2O       électrolyte acide

1/2 O2 + H2O + 2e- 2 OH-       électrolyte basique

 

Le bilan donne donc:

H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur

 

 

3/ La Recherche

 

 

Pour accéder à ces solutions technologiques de l’avenir, il est cependant nécessaire de lever des verrous technologiques et sociaux :

 

-> Sur le stockage de l’hydrogène à bord de la voiture :

Il faut offrir une autonomie suffisante aux utilisateurs, de l’ordre de 500 km au minimum.

Deux pistes existent :

• Une voie est de comprimer l’hydrogène : ainsi à une pression de 700 bar, il ne faut plus que 3 fois plus d’hydrogène en volume que d’essence.

• Une autre piste est d’embarquer de l’hydrogène liquide à –253°C ; dans ce cas, il ne faut plus que 2 fois plus d’hydrogène en volume que d’essence pour parcourir le même nombre de kilomètres.

 

 

 

-> Sur la pile à combustible (PAC) elle-même :

Axane, filiale d’Air Liquide, travaille ainsi sur la performance, le coût et la durée de vie de la pile à combustible.

Les technologies nouvelles et les progrès d’industrialisation ont réduit par 10 les coûts de fabrication de la PAC en quatre ans !

Le Groupe s’attache également à faire progresser la durée de vie d’une PAC en faisant des tests de fiabilité, par exemple en fonction des conditions climatiques.

La pile à combustible est une innovation de rupture : les citoyens vont apprendre à « faire autrement ». C’est pourquoi Air Liquide participe à des projets, initiatives et événements permettant de sensibiliser les citoyens à l’utilisation d’énergies alternatives comme l’hydrogène. Ainsi, Hychain permet d’appréhender les aspects sociétaux de l’hydrogène-énergie, liés à la sécurité, à la formation et à l’acceptation par le public d’une innovation.

 

-> Le programme H2E, qui représente un investissement global en recherche et technologie de près de 200 millions d’euros sur une durée de 7 ans, vise à construire une filière hydrogène-énergie durable et compétitive. Ce programme va permettre de commercialiser à court terme des solutions hydrogène-énergie et de créer les conditions pour l’essor des véhicules à hydrogène à l’horizon 2015.

 

 

Pour parcourir 500 km, il faut :

- 40 litres d’essence

- 60 000 litres H2 à température ambiante

- 200 litres H2 comprimé à 350 bar

- 125 litres H2 comprimé à 700 bar

- 75 litres H2 liquide à -253°C

 

-> La Commission Européenne a autorisé fin 2008 l’aide de 67,6 millions d’euros accordée par OSEO en faveur du programme d’innovation H2E (Horizon Hydrogène Energie) coordonné par Air Liquide dans le domaine de l’hydrogène et des piles à combustible.

 

-> Hychain prévoit le déploiement de petits véhicules urbains hybrides, à pile à combustible, dans quatre régions d’Europe.

Son objectif : permettre aux utilisateurs de quatre régions de l’Union Européenne de tester en grandeur réelle une cinquantaine de petits véhicules urbains alimentés en électricité par une pile à combustible utilisant de l'hydrogène : 13 véhicules utilitaires légers, 3 minibus, 29 tricycles, 6 scooters et 8 fauteuils roulants.

 

 

 

 

En conclusion même si il va falloir du temps pour pouvoir trouver des techniques mieux adaptées et moins compliquées pour pouvoir créer de l’hydrogène ou bien pour la stocker, l’hydrogène parait être le combustible du futur puisque les constructeurs automobiles sont en train de d’étudier de façon très poussée la piste de l’hydrogène. GENERAL MOTORS, HONDA BMW ou TOYATA sont sur le point de sortir des voitures marchant à l’hydrogène.

 

 

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