Moteur à hydrogène

Le moteur à hydrogène est un moteur à explosion utilisant l'hydrogène comme carburant.



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  • Le cœur du moteur à hydrogène est une pile à combustible qui fonctionne suivant... l'apport d'hydrogène est plus délicat, car son stockage est complexe.... (source : let.unicas)
  • Le moteur à hydrogène est un moteur à combustion interne utilisant... Dans le cas d'un véhicule, le problème du stockage de l'hydrogène ou de sa production... (source : bblackbird.free)

Le moteur à hydrogène est un moteur à explosion utilisant l'hydrogène comme carburant.

Fréquemment improprement appelé «moteur à eau», ce moteur a comme principal avantage de diminuer les émissions polluantes comparé aux autres moteurs à combustion interne (utilisant des hydrocarbures)  : les produits de combustions sont uniquement la vapeur d'eau et peut-être des NOx.

L'impact de son application à grande échelle doit être évalué à travers l'analyse du cycle énergétique global de l'hydrogène, dont la disponibilité est un facteur déterminant.

Combustion de l'hydrogène

Le moteur à hydrogène sert à générer une puissance de rotation à partir d'hydrogène (de la même façon qu'un groupe électrogène ou un moteur à combustion interne). Les applications peuvent être stationnaire ou embarquées (véhicules).

Le classique moteur à piston est peu adapté à la combustion de l'hydrogène. La faible densité du gaz nécessite des conduits d'admission et des soupapes de grand diamètre, et la course sinusoïdale du piston crée un pic de pression trop long au point mort haut pour permettre un fonctionnement en détonation.

Il existe cependant des alternatives comme la Quasiturbine ou le moteur Wankel.

Stockage

Icône de détail Article détaillé : Stockage d'hydrogène.

La nature fortement inflammable de l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air fait fréquemment craindre les risques d'explosion lorsqu'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 cependant que l'hydrogène est particulièrement volatil et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que s'il entre aisément en combustion, les véritables explosions sont particulièrement rares.

A ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées[1] :

Stockage gazeux (pression faible)

C'est la méthode la plus simple, mais elle nécessite un volume particulièrement important de nitroglycérine.

Stockage gazeux (pression élevée)

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bars) permet d'atteindre une densité massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible : une pression de 700 bars est inévitable pour rendre la technologie compétitive.

Stockage liquide (cryogénique)

Réservoir d'hydrogène liquide de Linde, Museum Autovision, Altlußheim, Germany

Le stockage liquide à 20 K (-253°C) sous 10 bars permet d'atteindre des densités volumique et massique intéressantes mais nécessite des réservoirs à l'isolation thermique particulièrement poussée pour minimiser l'évaporation.

Qui plus est , l'hydrogène étant le plus petit élément chimique, son stockage nécessite l'utilisation de matières spéciales empêchant toute fuite. Cette propriété de traverser les éléments implique d'énormes précautions, ne permettant pas de rentabiliser aisément son utilisation.

Cette technique est surtout utilisée dans le domaine spatial.


Stockage moléculaire («Éponges à hydrogène»)

C'est un des axes de recherche prometteurs qui va permettre d'utiliser l'hydrogène pour les voitures.

Le stockage sur des substrats sous forme absorbée, surtout sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique particulièrement intéressante mais une densité massique faible. Qui plus est la cinétique, la température et la pression de cyclage restent des points durs à maîtriser.

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. Uniquement, on ne connaît que particulièrement mal les mécanismes qui autorisent ces composés d'absorber l'hydrogène gazeux. Un mystère que l'équipe de Klaus Yvon, professeur au Laboratoire de cristallographie de l'Université de Genève, a réussi à éclaircir grâce à une étude soutenue par le Fonds national suisse (FNS) et parue récemment dans la revue Physical Review Letters.

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. Cette propriété pourrait en faire un détecteur d'hydrogène efficace et bon marché. Qui plus est , les chercheurs ont enfin compris le mécanisme d'absorption pour ce type d'hydrures, qui peuvent contenir une plus grande densité d'hydrogène que l'hydrogène liquide lui-même ! Enfin, un hydrure métallique a été trouvé par les allemands en 2003 pour construire un réservoir pour un sous-marin militaire à hydrogène. Comme l'ensemble des hydrures, ce réservoir allemand chauffe en stockant de l'hydrogène et refroidit en libérant 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.

Capacité de stockage de certains hydrures.

Hydrure Pourcentage de dihydrogène
contenu (en masse)
LaNi5H6, 5 001.4 1, 4 %
ZnMn2H3, 6 001.8 1, 8 %
TiFeH2 001.9 1, 9 %
KH 002.5 2, 5 %
Mg2NiH4 003.6 3, 6 %
VH2 003.8 3, 8 %
NaH 004.2 4, 2 %
CaH2 004.8 4, 8 %
MgH2 007.6 7, 6 %
LiH 012.7 12, 7 %

Production embarquée

Pour contourner les problèmes de stockage de l'hydrogène, il est envisageable de le produire à la demande à partir d'un composé riche en hydrogène (hydrocarbures), mais dont le stockage est plus simple et l'énergie volumique embarquée plus importante, dans le cas par exemple d'un hydrocarbure liquide.

La production d'hydrogène à partir de carburants commerciaux est aujourd'hui à l'étude : cette solution profiterait du réseau de distribution existant (stations service), ce qui serait un atout énorme dans la mise en place d'une utilisation à grande échelle du moteur à hydrogène. Notons qu'elle nécessite une technologie adaptée (reconstitueurs catalytiques, reconstitueurs plasma, ... ) à cette utilisation spécifiquement contrainte en terme d'encombrement, poids, coût, temps de réponse, sensibilité au soufre contenue dans les carburants, ...

Production par électrolyse de l'eau
Icône de détail Article détaillé : électrolyse.

La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau consiste à dissocier la molécule d'eau (H2O) en molécules d'hydrogène et de dioxygène, en faisant passer un courant électrique dans l'eau.

Production par réaction chimique à partir d'eau

La production d'hydrogène peut aussi être obtenue par réaction chimique en mettant en contact de l'eau, de la soude et de l'aluminium. D'autres formules chimiques existent permettant d'extraire l'hydrogène de l'eau.

Production par reconstituage d'hydrocarbures

Ce procédé est utilisé dans l'industrie (principalement à partir de gaz naturel) et dans certains projets de pile à combustible. Les résidus carbonés produits peuvent poser aussi des problèmes de pollution.

Production par photosynthèse (cyanobactéries)

Certaines bactéries peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygène et hydrogène avec réactions photosynthétiques. Ceci permettrait de produire de l'hydrogène avec énergie solaire. Des recherches sont en cours dans ce domaine, surtout en termes de génie génétique.

Développement à grande échelle du moteur à hydrogène

Il est important de préciser le contexte technologique de l'application du moteur à hydrogène. En effet, le mythe d'un moteur ne rejetant que de l'eau est particulièrement attractif mais malheureusement erroné car trop simpliste. Notons que ces remarques concernent aussi les applications piles à combustible (embarquées ou stationnaires) car elles produisent aussi de l'énergie en utilisant l'hydrogène comme vecteur énergétique.

Dans un premier temps, il est important de préciser que le di-hydrogène gazeux n'existe qu'en particulièrement faible quantité sur Terre : 0, 5 ppmv dans l'air. Pour cette raison, il est indispensable de le produire, à partir, par exemple, d'eau (par Electrolyse) ou de chaînes hydrogénées telles que les alcools, le gaz naturel ou les carburants commerciaux (c'est la réaction de reconstituage).

Ainsi, il est exact que le moteur à hydrogène ne produit que de la vapeur d'eau et peut-être des NOx, mais son bilan énergétique doit prendre en compte l'étape de production, qui nécessite de l'énergie et peut produire du CO2 et autres imbrûlés (cas du reconstituage).

Deuxièmement, le di-hydrogène est le carburant dont l'énergie massique de combustion est principale (120 MJ/kg), mais comme l'atome d'hydogène est aussi l'élément le plus léger, son énergie volumique de combustion est assez faible. Pour cette raison, il est indispensable de disposer d'un volume conséquent quand on considère l'application du moteur à hydrogène.

La problématique de l'alimentation en hydrogène est spécifiquement présente dans le cas d'un véhicule où l'espace disponible est limité ; d'où une autonomie particulièrement faible...

La réflexion et le développement technologique liés à l'utilisation à grande échelle de véhicules équipés de moteur à hydrogène doit par conséquent aussi considérer l'alimentation en hydrogène des ces derniers : il est indispensable d'une part, d'augmenter la quantité d'énergie disponible dans le véhicule, et d'autre part de bénéficier d'un réseau dense de distribution d'hydrogène, au minimum identique à celui existant aujourd'hui pour les carburants "classiques" (stations service).

Les solutions aujourd'hui à l'étude consistent à augmenter la densité de l'hydrogène (haute pression, faible température, hydrures métalliques... ) ou à le produire dans le véhicule-production embarquée. Notons que cette seconde option aurait l'avantage, dans le cas d'une production à partir d'hydrocarbures liquides, de bénéficier du réseau de distribution existant (stations service).

Notes et références

  1. L'hydrogène, les nouvelles technologies de l'énergie. Les clefs CEA, N°50/51, Hiver 2004-2005, ISBN 0298-6248


Voir aussi


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