Le moteur à hydrogène:
Bonjour à tous et bienvenue dans ce nouvel épisode de Mécapod ! Je suis ravi de vous retrouver cette semaine pour vous parler du moteur à hydrogène .
Avant ça, je vous rappelle que je le podcast est disponible sur YouTube, Spotify, Amazon et Apple . Je post régulièrement des informations complémentaires la semaine suivant la publication de mes épisodes . J'ai aussi récemment mit en ligne la partie Blog de mon site internet ! Vous y retrouverez les transcriptions et photos des épisodes ! N'hésitez pas à vous y rendre et à inscrite votre mail afin d'être tenu informé des nouvelles publications d'articles .
Découvrons maintenant l'histoire du moteur à hydrogène qui est bien plus ancienne que ce que vous pouvez penser !
Pour commencer, un peu de physique : Qu'est-ce que l'hydrogène ?
L’hydrogène est l’atome le plus léger mais aussi le plus simple puisque qu'il constitué d’un noyau contenant un proton et un électron et c'est l'élément le plus abondant de l’univers : Il représente 75 % de la masse de l’univers et 2/3 de toutes les molécules de notre planète. Carburant des étoiles et des « espaces vides » entre les étoiles, l’hydrogène n’est pas une énergie primaire mais un vecteur énergétique. A la différence d’autres sources d'énergies, comme les énergies fossiles ou renouvelables, c’est actuellement une énergie secondaire sans émissions de CO₂.
Vous allez me dire, c'est bien beau ça mais il vient d'où l'hydrogène ?
Et bien, les scientifiques pensent qu'il est l'un des trois éléments produits lors du Big Bang. Nous devons la majeure partie de la chaleur de notre planète à l’hydrogène, car le processus de fusion nucléaire du Soleil convertit l’hydrogène en hélium.
Sur Terre, il n'existe généralement pas par lui-même. Il doit donc être produit à partir de composés qui le contiennent, par exemple à partir d'eau (H₂O). Il en existe un très faible pourcentage dans l’atmosphère terrestre. Ce pourcentage réduit est dû à sa faible densité ; la gravité de la Terre n’est pas capable de le retenir et il s'échappe donc dans l’espace. La quantité perdu est d'environ 95 000 tonnes d'hydrogène par an. L'hydrogène est un gaz à température ambiante, mais se transforme en liquide à une température de -252,8 ˚C, et d'un liquide en solide à -259,2 ˚C. Environ 10% du poids des organismes vivants est constitué d'hydrogène - principalement dû à l'eau, aux protéines et aux graisses qui les composent.
Content de savoir tout ça ! Mais comment on le "fabrique" pour le mettre dans nos moteurs ? Et comment on le stocke puisqu'il se barre dans l'espace !?
Une option possible est l'électrolyse est un procédé permettant de fabriquer de l'hydrogène grâce à de l'électricité à partir de l'eau. Ses principes sont enseignés depuis longtemps dans les écoles : il s'agit d'utiliser un courant électrique pour décomposer une molécule d’eau (H₂O) en dihydrogène (H₂) et dioxygène (O₂) gazeux.
Pour qu'il soit renouvelable, il faut que l'électricité qui a servi à générer la réaction chimique provienne d'énergie renouvelable, à savoir le solaire, l'éolien ou l'hydro-électricité.
Seconde option, la fabrication via des énergies fossiles actuellement presque la totalité de l’hydrogène produit en France en provient, comme près de 99% de celui produit dans le reste du monde. Environ 25% de la production d'hydrogène provient de "co-production" de produits raffinés issus d'hydrocarbures, qu'on appelle alors hydrogène "fatal". Son coût de production est variable puisqu'il s'agit ici d'un "résidu" de production d'autres éléments chimiques, et donc son empreinte carbone l'est aussi.
Une troisième filière utilise le charbon, brûlé à très haute température (1200 à 1500°C) pour séparer l'hydrogène du CO2 sous forme de gaz. Pas besoin d'en dire plus qu'en a la propreté de la fabrication vu qu'on utilise du charbon.
Ces modèles industriels fabriquent de l'hydrogène "gris". L'hydrogène "vert", qui ne contribue qu'à moins de 1% de la production mondiale (environ 5% en France), provient de l'utilisation d'énergies renouvelables (solaire, éolien...). L'électrolyse de l'eau, qui permet une empreinte carbone nulle ne représentait en 2019 que 0,1% de la production mondiale d'hydrogène, du fait de son coût de production.
Pour ce qui est du stockage, l’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs sous pression, le plus souvent à 200 bars pour des usages industriels. Dans l'automobile, les réservoirs actuels autorisent une compression jusque 700 bars. Pour les bus et les camions, comme dans le maritime, le standard actuel est un stockage à 350 bars, mais il est possible d'aller jusque 700 bars, et même au-delà, dans des réservoirs adaptés. Plus la compression est importante, plus le volume d'hydrogène stocké dans un même espace est important.
Un autre procédé de stockage consiste à rendre l'hydrogène liquide. Pour ce faire, il est nécessaire de le porter à -253°C et de maintenir cette température, ce qui nécessite beaucoup d'énergie. L'intérêt de l'hydrogène liquide réside dans le faible volume occupé en comparaison de l'énergie qu'il créé.
Qui a pensé a utilisé et même trouver un truc quasiment inexistant sur terre !?
Les scientifique attribuent sont identification au physicien et chimiste britannique Henry Cavendish en 1766, à la suite de ses recherches pour déterminer la composition de l'eau. Cavendish a pu vérifier avec succès que l'hydrogène possédait les propriétés d'une substance inflammable .
À peine deux décennies après les recherches de Cavendish, Antoine Lavoisier et Pierre-Simon Laplace ont nommé l'élément tel que nous le connaissons aujourd'hui : l'hydrogène, qui en grec équivaut à « générateur d'eau », puisque c'est ce qu'il produit lorsqu'il est brûlé.
Vers 1800 , le gaz de houille, inventé par William Murdoch, est nommé « gaz hydrogène carboné » puis « gaz d'éclairage » (« gas light », voire gaz de ville et gaz manufacturé) et contient 50 % de dihydrogène, 32 % de méthane, 8 % de monoxyde de carbone. Certains gaz à l'eau, à destination de l'éclairage, contiendront jusqu'à 94 % de dihydrogène car oui en effet on utilise réellement du dihydrogène (soit 2 atomes d'hydrogène) et non de l'hydrogène simple.
Je parle de l'hydrogène depuis un petit moment mais on connait toujours pas l'histoire du moteur , ni même son fonctionnement !
Fait intéressant, la première tentative d'application d'un moteur à combustion interne à une voiture impliquait de l'hydrogène que l'on attribue au Français François Isaac de Rivaz .
En 1804, après sa retraite de l'armée, il décida d'étudier ce système. Son premier moteur à allumage commandé était alimenté par un mélange d'oxygène et de gaz de houille . Ce fut un échec qui a fini par être abandonné l'année suivante malgré la dépose du brevet le 30 Janvier 1807. Cependant, l'hydrogène avait fait ces début en automobile .
Il faudra attendre plusieurs décennies pour qu'un homme que nous connaissons si vous avez écouté les épisodes précèdent du podcast. Cet homme est Etienne Lenoir, ingénieur Belge, brevète un moteur à combustion interne deux temps fonctionnant au gaz de houille. L’année suivante, il fabrique 400 modèles de ce moteur à « gaz et air dilaté », d’une puissance de deux chevaux. Ces premiers moteurs à hydrogène serviront notamment à motoriser le premier bateau à moteur de la Seine, en 1861.
En 1867 , Nikolaus Otto encore un qu'on connait bien, réalise un moteur fonctionnant au gaz de houille plus perfectionné de 4 chevaux. En 1872, il Otto créé Deutz AG avec Gottlieb Daimler. La suite vous la connaissez, si ce n'est pas le cas, je vous invite à écouter l'épisode 2 sur Mercedes-Benz ainsi que l'épisode 6 sur les moteurs 4 temps.
En 1883 : l’Hippomobile d’Étienne Lenoir parcourt 9 kilomètres entre Paris et Joinville-le-Pont. L’Hippomobile est équipée d’un moteur hydrogène à quatre temps utilisant le cycle Beau de Rochas. Photos ci-dessous:
Revenons quelques décennies en arrière pour parler de la pile à combustible qui est découvert par l'Allemand Christian Schönbein en 1839. Le premier modèle de pile à combustible est réalisé par William R. Grove sur les trois années suivantes en laboratoire. En 1889, Ludwig Mond et Carl Langer donnent à la pile à combustible son nom et sa forme actuelle. Francis T. Bacon reprend les études de la pile à combustible en 1932 et réalise un premier prototype de 1 kW en 1953, puis de 5 kW en 1959. Ce prototype servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo. La longue période (plus d'un siècle) qui s'est écoulée entre la réalisation du premier modèle de pile à combustible et les premières utilisations s'explique par le très fort développement qu'ont connu les autres types de générateurs d'énergie électrique et par le fait que le coût des matériaux utilisés dans la pile à combustible reste encore actuellement élevé.
1970 sera l'année où l'ingénieur Paul Diages brevette un moteurs à combustion interne qui autorise la consommation d'hydrogène via modification. Le brevet indique clairement que le but de l'invention est de fournir un combustible non-polluant à l'inverse des hydrocarbures.
Il faudra ensuite attendre 1980 pour que le constructeur nippon Mazda lance un programme de recherche sur l’utilisation du dihydrogène dans les moteurs Wankel (rotatifs). Ce programme aboutira par la présentation d’un moteur rotatif fonctionnant à l’hydrogène au salon auto de Tokyo, en 1991.
Un autre constructeur japonais travaillera des 1992 sur sa propre pile à combustible ainsi que le réservoir qui contient l'hydrogène. Les responsables du projet savaient que la viabilité de la batterie dépend en grande partie de la capacité à stocker de l'hydrogène à des pressions élevées et avec des garanties de sécurité suffisantes. Toyota a combiné ses avancées dans le domaine des moteurs hybrides électriques avec la pile à combustible, combinant les deux technologies. Quatre ans plus tard, en 1996, le premier de plusieurs prototypes est arrivé. Le Toyota FCEV-1 a intégré la première pile à combustible dans un Toyota RAV4 de première génération.
Arrive l'année 1997 et le protocole de Kyoto, qui vise à une réduction des émissions de gaz à effet de serre, relance les recherches autour des voitures à hydrogènes chez les constructeurs automobiles.
La Mazda RX-8 à moteur rotatif à hydrogène sera lancée dès 2004, avec une trentaine de modèle commandé par la Norvège en 2006.
BMW présente une voiture fonctionnant avec un moteur à hydrogène au salon automobile de Los Angeles en 2006. Il s’agit de la BMW Hydrogen 7. La même année, la Mazda Hydrogen RE est utilisé par le gouvernement japonais.
Dans l'intervalle de nombreux constructeurs tel que Hyundai et Toyota développent leurs propres technologies de "Fuel Cell" . On notera par exemple la FCHV chez Toyota et FCEV de chez Hyundai qui deviendrons respectivement les Toyota Mira en 2014 et Hyunday Nexo en 2021.
Les constructeurs français se sont lancés timidement dans la courses à l'hydrogène mais on notera le système Hybride de la Renault Zoé, le Master Z.E. Hydrogène ou encore le Master H2-Tech Prototype présenté au salon IAA Transportation à Hanovre en 2024 ainsi que le Peugeot e-Expert hydrogen.
Notons aussi la sortie du NamX Huv prévu en 2025, qui est un SUV de la marque NamX, marque française, conçu en collaboration avec Pinninfarina, le SUV à hydrogène a été développer avec une configuration inédite dans le monde automobile avec un système associant un réservoir fixe à six capsules amovibles pouvant être retirées en seulement quelques secondes via une trappe situé entre le hayon de coffre et le pare-chocs arrière. Selon le constructeur, avec l’intégralité des réservoirs, celle-ci peut aller jusqu’à 800 km avec un plein. Pour un prix de 65 à 95 000€ suivant les options.
Nous pouvons aussi parler de la marque Hopium, française aussi, qui avait présenté la "Machina Vision" et fait sensation au Mondial de l'auto 2022. 2 Ans plus tard la compagnie à annoncer ne pas produire ce véhicule et se concentre sur le développement et la fabrication de pile à combustible plus légère et moins couteuse . Le projet avait "pourtant levé, plusieurs fois quelques millions d'euros et englouti 14 Millions" selon le site internet Auto-Infos.fr.
Avec tout ça, revenons à nos moutons, on ne sait toujours pas comment ça marche lorsque l'on a une pile à combustible !
On sait que l'énergie électrique est fournie par la pile à combustible. L’hydrogène qui est stocké sous pression dans les réservoirs dédiés du véhicule. Ce gaz le Dihydrogène comme indiqué tout à l'heure (H2), ainsi que le dioxygène (O2) de l’air ambiant, alimente la pile à combustible. Ces deux gaz subissent une réaction électrochimique à l’intérieur de la pile, le procédé est très similaire à celui d'une pile standard. Pour faire simple et simplifié le fonctionnement , les molécules de dihydrogène, passe par l'anode (coté moins) ou la molécule va se divisé en 2 Ions H+ c’est-à-dire que l'atome a perdu son électron. Au niveau de la cathode, c’est-à-dire coté PLUS, le dioxygène entre, les ions H+ seront les seuls à passer au travers de la membrane pour les rejoindre . Les électons eux se dirigent vers le moteur de l'anode à la cathode en passant par un conducteur et au travers du moteurs électriques puisque ces derniers sont du courant électrique. Une fois de arrivé à la cathode les électrons retrouvent les ions d'hydrogène pour reformé un Atomes . Cet hydrogène et les atomes d'oxygènes viennent alors fusionné à raison de 2 atomes d'hydrogène pour 1 d'oxygène pour créer de l'eau . Cette réaction produit de l’électricité, de la chaleur et de la vapeur d’eau (H2O), qui s’échappe sous forme de gaz par un petit tube placé sous le véhicule.
Dans tous les cas, la réaction chimique dans la pile à combustible est la suivante :
2 H2 + O2 → 2 H2O
Parlons maintenant des avantages et inconvénient de ce systèmes !
Commençons par les avantages :
Déjà il est inépuisable : Sur Terre, la source la plus abondante d’hydrogène est l’eau. Lors des processus d’électrolyse et de conversion électrochimique via la pile à combustible, les seuls rejets sont de l’oxygène et de la vapeur d’eau. Sa disponibilité est donc infinie puisque c'est un cercle vertueux.
Ensuite, il est plein d'énergie : Bien que sa masse volumique soit très faible, ce qui oblige à le compresser ou à le liquéfier, l’hydrogène présente une densité énergétique exceptionnelle : 1kg d’hydrogène libère 4,1 fois plus d’énergie qu’1kg de charbon, 2,8 fois plus qu’1kg d’essence et 2,4 fois plus qu’1 kg de gaz naturel.
Il est aussi le meilleur allié des énergies renouvelables : L’hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d’énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.
Il est léger : Malgré un rendement théorique moins élevé que le stockage batterie, le stockage hydrogène s’avère être jusqu’à 10 fois plus léger. Cette légèreté permet d’économiser du volume et de réduire la masse nécessaire à ce stockage d'énergie, même en tenant compte de la masse des réservoirs destinés à le stocker. C'est pourquoi l'hybridation pile à combustible - batteries prend tout son sens lorsque l'autonomie d'un moyen de transport est un objectif essentiel, sur terre comme en mer. C'est pourquoi le passage à l'hydrogène connaît, en particulier, un développement important pour la mobilité dite lourde, comme les trains, les bus, les camions et les bateaux, qui sont de gros consommateurs de carburant et ont besoin tout autant de puissance que de couvrir de longues distances avec un seul plein d'énergie.
Il est propre : Lorsqu'elle est issue de sources renouvelables, la production d'hydrogène est neutre en carbone. Son utilisation via une pile à combustible n’émet ni CO₂, ni Nox, ni particule fine. La pile ne rejette que de l'eau, totalement déminéralisée, et de la chaleur. On peut même constater que l'air ambiant utilisé par la pile pour réaliser la réaction chimique ressort bien plus pur qu'il n'y est entré.
Il se recharge rapidement : Si on trouve une station-service, il est possible de faire le plein en quelques minutes contre plusieurs dizaine de minutes pour son équivalent électrique. Un atout de poids pour la mobilité propre de demain.
Inconvénient maintenant:
Son coût de production et la propreté : on l'a vu tout à l'heure, s'il n'est pas issue d'énergie renouvelable son empreinte carbone n'est pas neutre et sa fabrication est couteuse.
La fabrication et le recyclage des batteries : en effet, la production et le recyclage des batteries posent d’importants problèmes environnementaux et sociétaux – comme l’extraction de métaux rares, l’épuisement des ressources en minerai, la quasi-impossibilité de recycler les composants d’une batterie usagée. Le coût d’achat d’un tel véhicule est aussi très élevés car la demande est faible et le développement et donc moins important.
La disponibilité des stations-services : Notons aussi qu'en 2020, seulement 158 stations étaient répertoriées en France : 86 ouvertes, ou en construction, et 71 en projet. Selon France Hydrogène il y aura 225 stations en 2025, puis, selon le plan de l'état environ 1000 en 2028. Cela reste faible pour envisager un long trajet sereinement .
En conclusions de cet épisode je dirais que l'hydrogène est une solution écologique, au même titre que l'électrique, à condition d'utiliser des énergies renouvelables et que les industriels financent les développements de ce type d'énergies. Je dirais que le point important serait de trouver des moyens propres de fabriqués les batteries et systèmes électroniques sans avoir recours au métaux rare et à l'extractions à l'autre bout du monde ! Même si cela reste utopique et même si je reste un grand fan du thermique à titre personnel, la transitions écologiques est important pour l'avenir de la planète !
Merci à tous d'avoir suivi cet épisode . Comme d'habitude, retrouvez moi sur Facebook et Instagram . Donner moi votre avis, sur ces véhicules à hydrogène ou les véhicules "propres" en commentaire de l'épisode ou sur les réseaux. A très vite pour un prochaine épisode !
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