Thèmes:
- Hydrogène
- Production d'hydrogène
- L'hydrogène comme carburant pour un moteur Otto
- Pile à combustible
- Réservoir de stockage
- Autonomie et coûts de l’hydrogène
Hydrogène:
L’hydrogène (appelé hydrogène en anglais) peut être utilisé comme vecteur énergétique pour alimenter les véhicules. Le vecteur énergétique signifie que l’énergie a déjà été injectée à l’avance dans l’hydrogène. Cela contraste avec les sources d’énergie (fossile) telles que le pétrole, le gaz naturel et le charbon, où l’énergie est obtenue en traitant ces substances par combustion.
L’hydrogène est donc quelque chose de complètement différent de l’injection d’eau, qui n’est pas utilisée comme vecteur d’énergie dans les moteurs à essence, mais uniquement pour refroidir la chambre de combustion.
L’objectif est d’atteindre le « zéro émission » avec l’hydrogène ; une forme d'énergie qui ne produit pas de gaz nocifs lors de son utilisation. La transition des combustibles fossiles vers la propulsion électrique en combinaison avec l'hydrogène et une pile à combustible s'inscrit dans le cadre du transition énergétique. Propulser les véhicules à l’hydrogène peut se faire de deux manières différentes :
- Utilisation de l'hydrogène comme carburant pour le moteur Otto. L'hydrogène remplace le carburant essence.
- Générer de l'énergie électrique en utilisant de l'hydrogène dans une pile à combustible. Grâce à cette énergie électrique, le moteur électrique propulsera le véhicule de manière entièrement électrique.
Les deux techniques sont décrites sur cette page.
L’hydrogène peut être produit avec une énergie durable ou à partir de combustibles fossiles. Nous essayons d’éviter autant que possible cette dernière situation, car les combustibles fossiles se raréfieront à l’avenir. Du CO2 sera également produit lors du traitement des combustibles fossiles.
Les colonnes ci-dessous montrent le contenu énergétique d’une batterie, de l’hydrogène et de l’essence. On voit qu'il y a beaucoup
Batterie:
- Contenu énergétique : 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Très efficace
- Stockage court
- Libération d'énergie directe possible
- Les transports sont compliqués
Hydrogène (700 bars) :
- Contenu énergétique : 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30% de chaleur, 70% H2 (pile à combustible PEM)
- Stockage long possible
- Conversion nécessaire
- Facile à transporter
Essence:
- Valeur énergétique : 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Retour jusqu'à 33%
- Stockage long possible
- Conversion nécessaire (combustion)
- Facile à transporter
L’hydrogène est présent partout autour de nous, mais jamais gratuitement. C'est toujours lié. Nous allons le produire, l'isoler et le stocker.
- 1 kg d'hydrogène pur (H2) = 11.200 XNUMX litres à pression atmosphérique
- H2 est plus petit que toute autre molécule
- H2 est plus léger que toute autre molécule
- H2 est toujours à la recherche de connexions
Outre la production et l'application de l'hydrogène dans les voitures particulières, cette page aborde également son stockage et son transport (en bas de page).
Production d'hydrogène :
L'hydrogène est un gaz qui n'est pas extrait du sol, comme le gaz naturel. Il faut produire de l’hydrogène. Cela se fait, entre autres, par électrolyse, un processus au cours duquel l'eau est transformée en hydrogène et en oxygène. C’est l’inverse de la réaction qui se produit dans une pile à combustible. De plus, l’hydrogène peut être obtenu par des procédés moins respectueux de l’environnement. Les données ci-dessous montrent comment l'hydrogène peut être produit en 2021.
- Charbon : C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (température : 1300C-1500C)
- Gaz naturel : CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (température requise : 700C-1100C)
- Huile : CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + très nombreux sous-produits
- Électrolyse de l'eau : 2H2O -> 2H2 + O2
L’électrolyse de l’eau est très propre et constitue la forme de production d’hydrogène la plus respectueuse de l’environnement. Cela libère de l’hydrogène et de l’oxygène, contrairement au traitement des énergies fossiles qui libère du CO2.
- Électrolyse de l'eau; L'électrolyse est une réaction chimique qui divise les molécules d'eau pour créer de l'hydrogène et de l'oxygène purs. L’hydrogène peut être produit partout où il y a de l’eau et de l’électricité. L’inconvénient est qu’il faut de l’électricité pour fabriquer de l’hydrogène, puis le transformer à nouveau en électricité. Jusqu'à 50 % sont perdus au cours de ce processus. L’avantage est que l’énergie est stockée dans l’hydrogène.
- Conversion des combustibles fossiles ; le pétrole et le gaz contiennent des molécules d’hydrocarbures constituées de carbone et d’hydrogène. L'hydrogène peut être séparé du carbone à l'aide d'un processeur de carburant. L’inconvénient est que le carbone disparaît dans l’air sous forme de dioxyde de carbone.
La production d’hydrogène obtenue avec des combustibles fossiles est appelée hydrogène gris. Cela libère du NOx et du CO2 dans l’atmosphère.
À partir de 2020, la production deviendra de plus en plus « bleue » : le CO2 sera capté.
L’objectif est de produire exclusivement de l’hydrogène vert d’ici 2030 : l’électricité et l’eau vertes sont les sources d’hydrogène produites les plus respectueuses de l’environnement.
Dans le monde chimique, l’hydrogène est appelé H2, ce qui signifie qu’une molécule d’hydrogène est composée de deux atomes d’hydrogène. Le H2 est un gaz qui n’existe pas dans la nature. La molécule H2 est présente dans toutes sortes de substances, la plus connue étant l’eau (H20). L'hydrogène doit être obtenu en séparant la molécule d'hydrogène, par exemple, d'une molécule d'eau.
Produire de l’hydrogène par électrolyse est donc l’avenir.
L'image suivante montre un modèle couramment utilisé dans les cours de chimie.
- Les barres positives et négatives d’une batterie pendent dans l’eau ;
- Du côté de l'anode, vous obtenez de l'oxygène ;
- Du côté de la cathode, vous obtenez de l’hydrogène.
L'hydrogène produit à partir d'énergie fossile, par exemple le méthane (CH4), est dans ce cas transformé en H2 et CO2 via le reformage. Le CO2 peut être séparé et stocké sous terre, par exemple dans un champ de gaz naturel vide. L’utilisation du gaz naturel ne contribue donc que peu ou pas aux émissions de CO2 dans l’atmosphère. L'hydrogène peut également être fabriqué à partir de la biomasse. Si le CO2 libéré au cours de ce processus est également séparé et stocké sous terre, il est même possible d'obtenir des émissions négatives de CO2 ; éliminer le CO2 de l’atmosphère et stocker ce CO2 sur Terre.
L’hydrogène, contrairement aux combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz naturel et le charbon, n’est pas une source d’énergie, mais un vecteur énergétique. Cela signifie que l’énergie libérée lors de l’utilisation de l’hydrogène, par exemple comme carburant dans une voiture, doit d’abord être réinjectée. L'électricité est nécessaire pour produire de l'hydrogène par électrolyse. La durabilité de cet hydrogène dépend alors en grande partie de la durabilité de l’électricité utilisée.
L'hydrogène comme carburant pour un moteur Otto :
Un moteur Otto est un autre nom pour un moteur à essence. Le moteur à essence a été inventé en 1876 par Nikolaus Otto. Dans ce cas, on parle de moteur Otto, car l'essence est remplacée par un autre carburant, à savoir l'hydrogène. Dans un moteur où l’hydrogène est injecté, il n’y a plus de réservoir d’essence.
Lorsque l'hydrogène est brûlé, contrairement aux moteurs Otto et diesel conventionnels, aucun gaz CO2 n'est produit, mais uniquement de l'eau. Lorsque l’hydrogène est injecté par injection directe, on obtient une augmentation de puissance de 15 à 17 % par rapport à l’essence. Lorsque l’hydrogène est injecté dans la soupape d’admission (injection indirecte), un chauffage rapide se produit à travers l’air. L'air est également déplacé par l'hydrogène. Dans les deux cas, moins d’oxygène (O2) pénètre dans la chambre de combustion. Dans le pire des cas, la perte de puissance peut atteindre 50 %.
Le rapport entre l’air et l’hydrogène n’est pas aussi précis que, par exemple, un mélange air-essence. La forme de la chambre de combustion n'a donc pas une grande importance.
L’hydrogène peut être injecté de deux manières :
– Liquide : Avec un apport liquide d’hydrogène, la température de combustion baissera relativement en raison de l’évaporation, de sorte que moins de NOx seront créés.
– Gazeux : Si l’hydrogène est stocké sous forme liquide dans le réservoir et qu’il s’écoule dans l’espace de combustion à température ambiante, un évaporateur doit être utilisé pour convertir l’hydrogène de l’état liquide à l’état gazeux. Dans ce cas, l'évaporateur est chauffé par le liquide de refroidissement du moteur. Les mesures possibles pour réduire les NOx sont : postuler EGR, injection d'eau ou un inférieur ratio de compression.
L'image ci-dessous montre quatre situations avec trois versions différentes d'injection d'hydrogène. Dans la deuxième image en partant de la gauche, l'hydrogène gazeux est injecté indirectement dans le collecteur d'admission. L'hydrogène gazeux est chauffé par la température ambiante. L’hydrogène prend également de la place, ce qui entraîne moins d’oxygène dans la bouteille. C’est la situation dans laquelle se produit la plus grande perte de puissance.
Dans la troisième image, l'hydrogène est fourni sous forme liquide. Cryogénique signifie que l'hydrogène a été refroidi très fortement (une méthode permettant de stocker de grandes quantités d'hydrogène sous forme liquide dans un réservoir de stockage relativement petit). Étant donné que la température de l’hydrogène est plus basse et qu’il se trouve à l’état liquide, le remplissage des bouteilles est meilleur. En raison de la basse température, on obtient un rendement presque aussi élevé qu'un moteur à injection directe (d'hydrogène). Le moteur à injection directe est visible sur la quatrième image. L'ensemble de l'espace de combustion est rempli d'oxygène. Lorsque la soupape d'admission est fermée et que le piston comprime l'air, une certaine quantité d'hydrogène est injectée par l'injecteur. La bougie d'allumage de ce moteur se trouve derrière ou à côté de l'injecteur (cela n'est pas montré sur l'image).
Le rendement d'un moteur Otto n'est bien sûr pas de 100 %, mais sur cette image les rendements de la combustion de l'hydrogène sont comparés à ceux de la combustion de l'essence.
L’hydrogène a une densité énergétique élevée par unité de masse (120 MJ/kg), ce qui la rend presque trois fois plus élevée que l’essence. Les bonnes propriétés d'allumage de l'hydrogène permettent de faire fonctionner le moteur avec un mélange très pauvre, avec une valeur lambda de 4 à 5. L'inconvénient de l'utilisation d'un mélange pauvre est que la puissance sera moindre et les caractéristiques de conduite seront réduites. Pour compenser cela, on utilise souvent une suralimentation (un turbo).
En raison de la zone d'inflammation plus grande que celle de l'essence, le risque de détonation ou de retour de flamme est plus grand. Il est donc très important d'avoir un bon contrôle de l'alimentation en carburant et de l'allumage. A pleine charge, la température dans la chambre de combustion peut devenir très élevée. Il y a souvent injection d'eau nécessaire pour assurer un refroidissement suffisant et donc également pour éviter une inflammation prématurée (sous forme de détonation ou de retour de flamme).
Pile à combustible:
La section précédente a expliqué comment l’hydrogène peut servir de carburant pour le moteur à combustion. Une autre application de l’hydrogène concerne la pile à combustible. Un véhicule équipé d'une pile à combustible ne possède pas de moteur thermique mais un ou plusieurs moteurs électriques. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des moteurs électriques est produite par la pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique directement en énergie électrique, sans pertes thermiques ou mécaniques. La conversion d'énergie dans la pile à combustible est donc très efficace. La pile à combustible fonctionne généralement à l’hydrogène, mais un carburant tel que le méthanol peut également être utilisé.
Une pile à combustible peut en principe être comparée à une batterie, car toutes deux produisent de l’électricité par un processus chimique. La différence est que l’énergie stockée dans la batterie est libérée une seule fois. L'énergie s'épuise avec le temps, la batterie doit donc être rechargée. Une pile à combustible fournit une énergie continue, tant que des réactifs sont fournis à la cellule électrochimique. Les réactifs sont des substances chimiques qui réagissent entre elles lors d’une réaction chimique.
Dans une pile à combustible, l’hydrogène et l’oxygène sont convertis en ions H+ et OH- (particules chargées). Les ions sont séparés par une membrane dans des chambres séparées de la pile à combustible. La pile à combustible contient deux électrodes de carbone poreuses sur lesquelles un catalyseur est appliqué ; pour l'hydrogène (H) une électrode négative (anode) et pour l'oxygène (O) une électrode positive (cathode).
Les ions H+ et OH- sont amenés les uns aux autres via les électrodes (anode et cathode), après quoi les ions + et – réagissent entre eux. La cathode catalyse la réaction dans laquelle les électrons et les protons réagissent avec l’oxygène pour former le deuxième produit final, à savoir l’eau. Les ions H+ et OH- forment ensemble une molécule H2O. Cette molécule n’est pas un ion car sa charge électrique est neutre. La particule positive et la particule négative donnent ensemble une particule neutre.
L'oxydation de l'hydrogène (H) a lieu à l'anode. L'oxydation est le processus par lequel une molécule donne ses électrons. L'anode agit comme un catalyseur, divisant l'hydrogène en protons et en électrons.
La réduction a lieu à la cathode par ajout d'oxygène (O). Les électrons, scellés par l'anode, se rendront à la cathode via un fil électrique qui relie les électrons à l'extérieur.
En transférant les électrons non pas directement, mais via une voie externe (le fil de courant), cette énergie est en grande partie libérée sous forme d'énergie électrique. Le circuit est fermé par des ions dans un électrolyte de liaison entre le réducteur et le comburant.
La particule qui absorbe les électrons est appelée un oxydant et est ainsi réduite. L'agent réducteur perd des électrons et s'oxyde. Une réduction est le processus par lequel une particule absorbe des électrons. L'oxydation et la réduction vont toujours de pair. Le nombre d’électrons libérés et absorbés est toujours le même.
La réaction suivante a lieu au pôle négatif :
Une réaction différente a lieu au pôle positif :
L'image ci-dessous montre la vue inférieure d'une pile à combustible Toyota. Cette pile à combustible est située sous le capot de la voiture. Le moteur électrique est fixé à cette pile. Le moteur électrique fournit la puissance à la transmission, qui est reliée aux arbres de transmission pour transmettre les forces motrices aux roues.
Plusieurs tubes d'air sont visibles au sommet de la pile. Cela comprend, entre autres, la pompe à air qui pompe l'air vers les piles à combustible, en fonction de la puissance requise par le moteur électrique.
Cette pile à combustible est équipée de 370 piles à combustible. Chaque pile à combustible fournit 1 volt, donc un total de 370 volts peut être fourni au moteur électrique. Les piles à combustible sont toutes situées les unes sous les autres. Le cercle rouge montre un agrandissement, où l'on voit clairement l'empilement des piles à combustible.
Réservoir de stockage:
Bien que l’hydrogène ait une densité énergétique par unité de masse élevée (120 MJ/kg) et soit donc presque trois fois plus élevée que l’essence, la densité énergétique par unité de volume est très faible en raison de sa masse spécifique plus faible. Pour le stockage, cela signifie que l’hydrogène doit être stocké sous pression ou sous forme liquide afin de pouvoir utiliser un réservoir de stockage d’un volume gérable. Il existe deux variantes pour les applications automobiles :
- Stockage gazeux à 350 ou 700 bar ; À 350 bars, le volume du réservoir en termes de contenu énergétique est 10 fois plus grand qu'avec l'essence.
- Stockage de liquides à une température de -253 degrés (stockage cryogénique), où le volume du réservoir en termes de contenu énergétique est 4 fois plus grand que celui de l'essence. Avec le stockage gazeux, l’hydrogène peut être stocké indéfiniment sans perte de carburant ni compromis sur la qualité. Le stockage cryogénique, en revanche, entraîne la formation de vapeur. Étant donné que la pression dans le réservoir augmente en raison du chauffage, l'hydrogène s'échappe par la soupape de surpression ; une fuite d’environ deux pour cent par jour est acceptable. Les options de stockage alternatives sont encore au stade de la recherche.
L'image ci-dessous montre deux réservoirs de stockage sous la voiture. Il s'agit de réservoirs de stockage où l'hydrogène est stocké sous forme gazeuse sous une pression de 700 bars. Ces réservoirs de stockage ont une épaisseur de paroi d'environ 40 millimètres (4 centimètres), ce qui les rend résistants aux hautes pressions.
Ci-dessous, vous pouvez voir à nouveau comment les réservoirs d'hydrogène sont montés sous la voiture. Le tube en plastique est l'évacuation de l'eau créée lors de la conversion dans la pile à combustible.
Faire le plein d’hydrogène :
Au moment de la rédaction de cet article, il n’existe que deux stations-service à hydrogène aux Pays-Bas. L'une de ces stations-service se trouve à Rhoon (Hollande méridionale). Les images montrent les buses de remplissage utilisées pour faire le plein. La pression de service pour le remplissage est de 350 bars pour les véhicules utilitaires et de 700 bars pour les voitures particulières.
Le raccord de remplissage dans la voiture se trouve derrière la trappe à carburant habituelle. Le pistolet de remplissage est connecté à ce raccord de remplissage. Après avoir connecté la buse de remplissage, la connexion se verrouille. Le réservoir de stockage de la voiture sera rempli d'hydrogène gazeux sous une pression de 700 bars.
Autonomie et coûts de l’hydrogène
A titre d'exemple, prenons une Toyota Mirai (année modèle 2021) et examinons l'autonomie et les coûts supplémentaires :
- Portée de 650 km ;
- Consommation : 0,84 kg/100 km ;
- Prix du carburant au km : 0,09 à 13 centimes ;
- Taxe de circulation €0,-
Comparée à un véhicule équipé d’un moteur diesel, une voiture à pile à combustible n’est pas bon marché. Même si les coûts de la taxe routière jouent un rôle majeur, le nombre de stations-service aux Pays-Bas est encore faible en 2021. Vous trouverez ci-dessous une comparaison des coûts par 100 km avec les prix actuels du carburant :
BMW320d (2012)
- Diesel : 1,30 € le litre ;
- Consommation : 5,8 l/100 km ;
- Tarifs 100 km : 7,54 €.
Toyota Mirai (2020) :
- Hydrogène : 10 € le kg ;
- Consommation : 0,84 kg/100km ;
- Tarifs 100 km : 8,40 €
Pages connexes :
