Moteur hydrogène

Le moteur à hydrogène

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Introduction :

        Actuellement les enjeux écologiques sont importants et omniprésents, la quantité de CO2 diffusée dans l’air est de plus en plus importante en partie dû au moteur thermique employé dans le secteur automobile, industriel...

Il est donc nécessaire de chercher une nouvelle alternative pour la planète, c’est pourquoi certains chercheurs se sont penchés sur une énergie nouvelle plus écologique : l’eau et plus précisément l’hydrogène que l’on obtient en synthétisant de l’eau.

Après avoir posé un regard l’histoire du moteur à hydrogène et décrit le fonctionnement d’une pile à combustible, nous aborderons plus longuement le cycle de production-stockage-distribution de l’hydrogène qui est au cœur de la problématique du développement de cette technologie, pour enfin conclure sur les perspectives du procédé.

I/ Histoire : du moteur à combustion interne à la pile à combustible

L’hydrogène est expérimenté comme combustible pour les moteurs depuis plusieurs années.

En 1799, les premiers gaz employés n’étaient pas uniquement composés d’hydrogène, par exemple le gaz de bois (obtenu par distillation du bois) ou le gaz de houille (obtenu par distillation de la houille). Ces deux gaz n’étaient composés que de cinquante pourcents d’hydrogène.

Il faudra attendre 1970 pour que Paul Dieges apporte une modification au moteur à combustion interne pour qu’il puisse fonctionner uniquement avec de l’hydrogène, ce dernier ayant été créé par François Issac de Rivaz.

Cette nouvelle source d’énergie était mal reconnue à cause du zeppelin Hindenburg gonflé à l’hydrogène qui en 1937 s’est consumé lors de son atterrissage avec à son bord cent passagers dont trente-six ont péri. Du fait de cet accident, on ne se souvient que des caractéristiques d’inflammabilité de l’hydrogène et non de ses capacités énergétiques.

Mais les temps ont changé et l’hydrogène tend à se développer surtout dans le monde automobile. Par exemple, à partir de 1980, le constructeur automobile Mazda se lance dans la conception d’un prototype fonctionnant uniquement à l’hydrogène. Il réussira onze ans plus tard mais il n’y aura aucune commercialisation. La première voiture à hydrogène commercialisée sera produite par BMW en 2006 sous le nom de « Hydrogen 7 », elle pouvait aussi bien fonctionnée à l’hydrogène qu’à l’essence. Mais ce véhicule n’aura été produit qu’à cent exemplaires. Par la suite, le moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène sera abandonné au profit d’une nouvelle utilisation de l’hydrogène.

Après avoir vu le manque d’efficacité du moteur à combustion avec de l’hydrogène, les ingénieurs décident d’utiliser un moteur électrique associé à une pile à combustible. Ils utilisent donc le moteur électrique actuel en modifiant la méthode de production de l’électricité.  Au lieu de stocker de l’électricité à bord du véhicule dans des batteries, on la produit à l’aide d’une pile à combustible qui a besoin pour fonctionner d’hydrogène et d’oxygène.

II/ La pile à combustible :

Le fonctionnement de la pile à combustible peut se décrire en trois étapes :        [pic 5]

1. Une pile à combustible est constituée d’un empilement de plusieurs cellules, chacune composée d’une anode et d’une cathode, séparée par une membrane non conductrice. Le tout produisant de l’électricité.

1. Chaque anode est chargée avec de l’hydrogène et chaque cathode avec de l’oxygène. Une fois les atomes d’hydrogène (H2) en contact avec la plaque conductrice (plaque grise), ils libèrent des électrons qui seront bloqués par la membrane (bleu ciel) et forcés de suivre la plaque, ce qui crée un courant électrique.[pic 6]

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1. De l’autre côté, les atomes d’hydrogène ayant traversés la membrane entrent en contact avec l’oxygène (O2) et les électrons, ce qui produit de l’eau (H2O). Pour accélérer le processus chimique on ajoute deux plaques de platines (plaques violettes).  

Ainsi la production d’électricité s’accompagne d’un simple rejet d’eau. Mais cela nécessite de produire en grande capacité de l’oxygène et de l’hydrogène. Si ce premier gaz est abondant dans l’atmosphère et ne pose pas de problème majeur à sa production, le cas de l’hydrogène est tout à fait différent.

III/ Le cycle de production, stockage et distribution de l’hydrogène :

Ainsi l’association dans un véhicule automobile d’un moteur électrique avec une pile à combustible permet d’éliminer la production des gaz et polluants inhérente à l’utilisation des moteurs thermiques. De plus la pile à combustible permet une vitesse de recharge que les batteries ne permettent pas encore, tout en évitant d’utiliser une électricité produite en France en majorité à partir d’une énergie nucléaire fortement décriée. Seul le développement des énergies renouvelables (éolien, solaire, hydraulique) est une alternative crédible. L’utilisation de la pile à combustible et par conséquent de l’hydrogène pourrait paraitre une solution idéale.

Cependant la production, le stockage et la distribution de l’hydrogène posent des difficultés ce qui entrave le développement de cette solution technologique.

 Depuis déjà plusieurs années, les ingénieurs cherchent à améliorer ces points.

1) La production d’hydrogène :

L’hydrogène n’existe pas sous forme naturelle, il faut donc le produire.

 Pour cela il existe plusieurs processus plus ou moins performants, le plus souvent, à partir d’hydrocarbures (vaporeformage) avec un rendement d’environ quatre-vingts pourcent pour l’utilisation de gaz naturel. On peut employer le GPL. On peut aussi utiliser du naphta (liquide transparent issu de la distillation du pétrole). Lorsque l’on fait chauffer le naphta à haute température (700 à 1100°C) avec une pression modérée (20-30 bars), la vapeur d’eau (H2O) réagit avec le méthane (CH4) sur un catalyseur au nickel (Ni). Ce procédé permet d’obtenir du monoxyde de Carbonne (CO) et de l’hydrogène (H2).

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