Les véhicules à hydrogène sont-ils vraiment écologiques ?

dimanche 16 août 2020.
 

Les véhicules à hydrogène sont-ils vraiment écologiques ?

L’hydrogène n’est pas une énergie renouvelable : c’est un simple vecteur énergétique car l’hydrogène n’existe pas sur Terre à l’état libre. Il faut le produire. Et sa production pour faire fonctionner ces véhicules n’est pas sans impact sur l’environnement. Nous faisons ici le point sur l’utilisation de l’hydrogène pour se déplacer.

Comment est apparu l’hydrogène dans l’univers ?

j’ai tenté de réaliser une synthèse succincte des connaissances récentes sur la création des atomes et en particulier sur l’atome d’hydrogène. Cette introduction quelque peu ardue peut être ignorée car elle n’est absolument pas nécessaire de comprendre les articles qui suivent.

L’atome d’hydrogène est le plus simple des atomes constituant l’univers : il est composé d’un noyau formé d’une seule particule : le proton de charge positive et d’un électron périphérique de charge négative 1836 fois plus léger que lui. Les deux charges sont de même valeur absolue mais de signes opposés. La charge totale de l’atome est donc nulle : l’atome d’hydrogène est neutre comme tous les autres atomes puisque le nombre de protons est toujours égal au nombre d’électrons (appelés numéro atomique Z)

Comme l’indique l’article de Wikipédia sur le proton, les scientifiques ont accumulé un grand nombre de données sur cette particule présente dans tous les noyaux atomiques mais il a fallu attendre 2019 pour avoir une idée très précise de sa taille qui a dû être revue en raison de nouvelles expériences menées depuis 2010.

L’hydrogène est l’élément le plus répandu dans l’univers : 92 % du nombre d’atomes et 75 % de la masse totale.

À l’état libre sans intervention extérieure, le proton est une particule extrêmement stable dont la désintégration n’a jamais pu être observée. Sa durée théorique de vie dépasse de plusieurs ordres de grandeur l’âge de l’univers.

Peu après le big-bang, est apparue une matière à très haute énergie et température composée entre autres de quarks. Trois quarks de type uud (u :up ;d : down) pour former un proton. C’est quark sont liés par une force extrêmement puissante par échange de gluons.

Des électrons dans cette matière primitive ont été captés par des protons. Telle semble être l’origine de l’hydrogène apparu environ 380 000 ans après le big-bang.

Avec l’expansion et le refroidissement progressif de l’univers, d’immenses nuages d’hydrogène se sont formés. Intervient alors la force de gravitation qui provoque une contraction puis un effondrement de ces nuages pour donner naissance aux étoiles primordiales de première génération.

Mais sans entrer dans les détails, pour expliquer cet effondrement, il faut supposer qu’existaient avec l’hydrogène des ions d’hélium He.

De surcroît, par fusion thermonucléaire des atomes d’hydrogène dans 16 étoiles,sont apparus des atomes plus lourds, d’abord comme l’hélium dont le noyau est composé de deux protons et de deux neutrons, puis selon la taille, la densité et l’âge de l’étoile, et en fonction de la température qui peut atteindre par exemple 1 milliard de degrés, des atomes de plus en plus lourds. Le temps passant, certaines de ces étoiles finissent par exploser en une supernova projetant ainsi dans l’espace les atomes qu’elle a synthétisés. Se forment alors de nouveaux nuages composés d’atomes divers qui sont les nuages moléculaires.

Certains de ces nuages comme précédemment, s’effondrent sous l’effet de la gravitation et finissent alors par former de nouvelles étoiles accompagnées d’un cortège de bloc solides pour former des systèmes planétaires dont en particulier, notre système solaire . La prédominance de l’hydrogène dans les nuages interstellaires explique pourquoi cet élément est très répandu. Mais quel est l’origine du neutron qui est la deuxième particule qui constitue avec les protons, le noyau de tous les éléments ?

Il y a deux possibilités : ils se sont formés à partir du magma primitif, comme les protons par assemblage de trois quarks :udd confinés à haute énergie par un échange de gluons.

Après un certain niveau de refroidissement, ils se seraient fusionnés avec des protons pour donner des atomes ou ions d’hélium primitif.

Une autre possibilité est la transformation d’un proton en neutron par capture d’un électron avec apport d’énergie (photons énergétiques)

On connaît en physique des particules cette transformation : proton––> neutron + positon + neutrino électronique.. (C’est une désintégration radioactive du type bêta +) (Le positon est un anti électron de charge positive).

L’hydrogène a deux isotopes : le deutérium 2H dont le noyau contient un proton et d’un neutron, stable formé (naturellement) par nucléosynthèse et le tritium 3H radioactif instable créé formé (naturellement) par spallation cosmique.

(Ces deux éléments peuvent être créés artificiellement dans des réacteurs nucléaires et par bombardement neutronique du lithium.)

Il ne sera pas question de ces isotopes dans les articles suivants comme ce fut le cas dans notre article sur la fusion nucléaire contrôlée.

Tout cela pour dire : l’hydrogène est la matière primordiale de l’univers. Concernant la formation des étoiles, on peut se reporter à l’article donné par le lien suivant. https://www.futura-sciences.com/sci...

voir aussi nucléosynthèse stellaire sur Wikipédia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%....

** Article 1 : Le fonctionnement du moteur à hydrogène.

Source :

http://moteur-hydro-tpe.e-monsite.c...

1–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).

2–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, ucre, 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.

3–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.

4–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 : a.-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.

b.-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.

c.-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.

d.-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.

5 Quelques chiffres de production :

- 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

6–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 %.

7–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

8– 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. [Voir les autres articles pour l’actualisation de ces données, notamment l’article : le développement de la filière hydrogène s’est accéléré en 2019] Article 2 : les trains à hydrogène Source : Industrie techno https://www.industrie-techno.com/ar...

En Allemagne, Alstom inaugure ses deux premiers trains à hydrogène

Un train qui roule à l’hydrogène signé Alstom

 L’Ademe soutient 11 projets liés à la mobilité hydrogène

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 [Meilleures technos de l’année] L’hydrogène a le vent en poupe

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Comment fonctionnent les 27 trains à hydrogène d’Alstom vendus à RMV ?

En 2022, Alstom va livrer 27 trains à hydrogène à fahma, une filiale de RMV.

© René Frampe

Alstom a annoncé le 21 mai qu’il allait fournir 27 trains à hydrogène Coradia iLint à Fahma, une filiale du réseau de transports en commun allemand Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV), d’ici 2022. Munis de piles à combustible ils utilisent de l’hydrogène pour produire de l’électricité. Consommée pour la traction ou les équipements à bord, celle-ci peut être stockée dans des batteries lithium-ion qui récupèrent aussi de l’énergie au freinage.

En Allemagne, après le land de Basse-Saxe, c’est au tour de celui de la Hesse d’adopter les trains à hydrogène pour remplacer ceux fonctionnant au diesel. Fahma, une filiale du réseau de transports en commun Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV), a commandé à Alstom 27 Coradia iLint qui devraient être livrés en 2022. « Outre les trains, la commande comprend également la fourniture d’hydrogène, la maintenance et la mise à disposition de capacités de réserve pour les 25 prochaines années », indique Alstom dans un communiqué du 21 mai.

Avec 160 places assises et une vitesse maximale de 140 km/h, le Coradia iLint a une autonomie pouvant aller jusqu’à 1 000 km avec un plein selon Alstom. Située sur le toit de la rame, une pile à combustible (PAC) est alimentée par de l’hydrogène stocké sous forme gazeuse et par l’oxygène de l’air. La réaction dans la PAC libère de l’eau sous forme liquide ou gazeuse et de l’électricité. Celle-ci alimente la traction ou les équipements à bord comme l’éclairage, l’air conditionné, ou les écrans d’affichage. Des batteries lithium-ion stockent également le surplus d’électricité produit par la pile à combustible et l’énergie récupérée au freinage.

Sur chaque rame, environ 95 kg d’hydrogène sont stockés sous forme gazeuse à 350 bar. Le gaz alimente la pile à combustible de type PEM (membrane échangeuse de protons) d’une puissance de 200 kW développée par le canadien Hydrogenics suite à un accord conclu en mai 2015. Fournies par l’allemand Akasol, les batteries lithium-ion fixées sous la rame sont capables de stocker 111 kWh à une tension nominale de 800 volts. A la décharge, la puissance fournie est de 221 kW en moyenne et peut monter à 450 kW pendant une durée maximum de 40 secondes.

Pour fournir l’hydrogène, Alstom s’appuie sur Infraserv GmbH & Co. Höchst KG, exploitant du parc industriel de Höchst. Les trains y feront le plein d’hydrogène au niveau d’une station de ravitaillement de ce site proche de Francfort-sur-le-Main qui alimente déjà des bus et des camions. Actuellement, l’hydrogène est un coproduit issu de la production de chlore par électrolyse de saumure. Contacté, le parc industriel de Höchst indique vouloir développer son infrastructure de production d’hydrogène : « Cela inclut la construction de nouvelles installations de compression, de stockage et de remplissage. Une centrale de secours, utilisant un procédé de vaporeformage du gaz naturel avec un rendement élevé, sera également construite en raison des exigences élevées en matière de disponibilité de l’hydrogène pour les trains. »

Autres articles :

le moteur à hydrogène. Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteu...

la production d’hydrogène. Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Produ... Pile à combustible. Wikipédia https://www.bing.com/search?q=pile+...

Les véhicules à hydrogène. Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/V%C3%...

Le développement de la filière hydrogène s’est accéléré en 2019 (notamment la production hydrogène décarbonée) http://erh2-bretagne.mystrikingly.c...

La voiture à hydrogène le miroir aux alouettes de la transition énergétique (Reporterre) https://reporterre.net/La-voiture-a...

Mercedes dresse le bilan écologique de sa voiture à hydrogène. (Articles en continuité avec le précédent) l https://www.h2-mobile.fr/actus/merc...

Différentes expérimentations d’utilisation de véhicules à hydrogène dans le monde (bus, véhicules de pompiers de police, avait…) https://www.h2-mobile.fr/actus/voit... Les modèles de voitures à hydrogène https://www.auto-moto.com/green/voi...

H ervé Debonrivage


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