Moteur à hydrogène
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Le moteur à hydrogène est un moteur à explosion utilisant l'hydrogène comme carburant.
Souvent improprement nommé « moteur à eau », ce moteur a comme principal avantage de réduire les émissions polluantes par rapport aux autres moteurs à combustion interne (utilisant des hydrocarbures) : les produits de combustions sont seulement la vapeur d'eau et éventuellement 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.
Sommaire |
[modifier] Combustion de l'hydrogène
Le moteur à hydrogène permet de 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 toutefois des alternatives comme la Quasiturbine ou le moteur Wankel.
[modifier] Stockage
La nature fortement inflammable de l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air fait souvent craindre les 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 volatil et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que s’il entre facilement en combustion, les véritables explosions sont très rares.
A ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées[1] :
- Le stockage comprimé gazeux
- Le stockage liquide
- Le stockage moléculaire
[modifier] Stockage gazeux (pression faible)
C'est la méthode la plus simple, mais elle nécessite un volume très important de nitroglycérine.
[modifier] 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.
[modifier] Stockage liquide (cryogénique)
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 très poussée afin de minimiser l'évaporation.
De plus, 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 facilement son utilisation.
Cette technique est notamment utilisée dans le domaine spatial.
[modifier] 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, notamment sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique très intéressante mais une densité massique faible. De plus 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. Seulement, on ne connaît que très mal les mécanismes qui permettent à 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. De plus, 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 afin de construire un réservoir pour un sous-marin militaire à hydrogène. Comme tous les 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 | 1,4 % |
| ZnMn2H3,6 | 1,8 % |
| TiFeH2 | 1,9 % |
| Mg2NiH4 | 3,6 % |
| VH2 | 3,8 % |
| MgH2 | 7,6 % |
[modifier] Production embarquée
Afin de contourner les problèmes de stockage de l'hydrogène, il est possible 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 actuellement à l'étude : cette solution profiterait du réseau de distribution existant (stations service), ce qui serait un atout considérable dans la mise en place d'une utilisation à grande échelle du moteur à hydrogène. Notons qu'elle nécessite une technologie adaptée (reformeurs catalytiques, reformeurs plasma, ...) à cette utilisation particulièrement contrainte en terme d'encombrement, poids, coût, temps de réponse, sensibilité au soufre contenue dans les carburants, ...
[modifier] Production
[modifier] Production par électrolyse de l'eau
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 d'oxygène, en faisant passer un courant électrique dans l'eau.
[modifier] Production par réaction chimique à partir d'eau
La production d'hydrogène peut également 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.
[modifier] Production par reformage d'hydrocarbures
Ce procédé est utilisé dans l'industrie (essentiellement à partir de gaz naturel) et dans certains projets de pile à combustible. Les résidus carbonés produits peuvent poser également des problèmes de pollution.
[modifier] Production par photosynthèse (cyanobactéries)
Certaines bactéries peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygène et hydrogène à l'aide de réactions photosynthétiques. Ceci permettrait de produire de l'hydrogène à l'aide d'énergie solaire. Des recherches sont en cours dans ce domaine, notamment en terme de génie génétique.
[modifier] 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 très 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.
Tout d'abord, il est important de préciser que le di-hydrogène gazeux n'existe qu'en très faible quantité sur Terre : 0,5 ppmv dans l'air. Pour cette raison, il est nécessaire 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 reformage).
Ainsi, il est exact que le moteur à hydrogène ne produit que de la vapeur d'eau et éventuellement 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 reformage).
Deuxièmement, le di-hydrogène est le carburant dont l'énergie massique de combustion est la plus importante (120 MJ/kg), mais comme l'atome d'hydogène est également l'élément le plus léger, son énergie volumique de combustion est relativement faible. Pour cette raison, il est nécessaire de disposer d'un volume conséquent lorsque l'on considère l'application du moteur à hydrogène.
La problématique de l'alimentation en hydrogène est particulièrement présente dans le cas d'un véhicule, où l'espace disponible est limité ; d'où une autonomie très faible...
La réflexion et le développement technologique liés à l'utilisation à grande échelle de véhicules équipés de moteur à hydrogène doit donc aussi considérer l'alimentation en hydrogène des ces derniers : il est nécessaire 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 égal à celui existant actuellement pour les carburants "classiques" (stations service).
Les solutions actuellement 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).
[modifier] Notes et références
- ↑ L'hydrogène, les nouvelles technologies de l'énergie. Les clefs CEA, N°50/51, Hiver 2004-2005, ISBN 0298-6248
