Moteur à hydrogène

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Page d'aide sur l'homonymie Ne doit pas être confondu avec Enrichissement du carburant par hydrogène.

Le moteur à hydrogène est un moteur à combustion interne utilisant l'hydrogène comme carburant.

Histoire[modifier | modifier le code]

Moteur à gaz horizontal Otto, de 4 chevaux de force, actionnant dans le domaine d'Ambreville (Eure) 1868: Pompe à eau pour la ferme-Pompe à eau pour le château-Pompe à purin-Machine à battre, avec élévateur de grains-Meules à concasser-Hache-paille-Laveur de racines-Coupe-racines-Cribleur de menues pailles-2 meules à affûter-Tire-sacs-Tarare-Trieur de grains-Pressoir mécanique-Pompe à cidre[1]

Dans son brevet de 1799, Lebon avait prédit que son « gaz hydrogène » (du gaz de bois, dont on peut supposer qu'il contenait au moins 50 % de dihydrogène) serait « une force applicable à toutes espèces de machine ». Le gaz de houille inventé par William Murdoch à la même époque, est nommé « gaz hydrogène carboné » puis gaz d'éclairage (« gas light », voir aussi 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.

À partir de 1804, François Isaac de Rivaz construit les premiers moteurs à gaz utilisant du gaz de houille. il s'inspire du fonctionnement du Pistolet de Volta pour construire le premier moteur à combustion interne dont il obtint le brevet le 30 janvier 1807.

En 1859, Étienne Lenoir dépose un « brevet d'un moteur à gaz et à air dilaté », un moteur à combustion interne à deux temps qui utilise le gaz de houille.

Le gaz d'éclairage est encore utilisé dans le moteur à gaz par Nikolaus Otto en 1867. Les grands constructeurs automobiles, Deutz AG, Daimler AG, Mercedes-Benz, et BMW sont redevables aux innovations du moteur à gaz apportées par celui-ci et à la création de la « Gasmotoren-Fabrik Deutz AG » (Deutz AG), fondée par Otto en 1872.

En 1970 Paul Dieges brevette une modification des moteurs à combustion interne qui autorise la consommation d'hydrogène[2]. Le brevet renseigne clairement que le but de l'invention est de fournir un combustible non-polluant à l'inverse des hydrocarbures.

À partir de 1980, le constructeur automobile japonais Mazda planche sur l'application du dihydrogène aux moteurs rotatifs (Moteur Wankel) et en 1991 présente un concept de moteur rotatif à hydrogène au Salon automobile de Tokyo. En 2006, Mazda loue des véhicules Hydrogen RE aux bureaux du gouvernement nippon[3].

Le protocole de Kyoto, signé le 11 décembre 1997, vise à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dont fait partie le dioxyde de carbone, donne une nouvelle justification à la recherche de carburants alternatifs, dont l'hydrogène, et pour les constructeurs automobiles, la production de véhicules propres parmi lesquels se trouve le véhicule à hydrogène.

La BMW Hydrogen 7, présentée pour la première fois au salon de Los Angeles en novembre 2006, serait la première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène[4].

Fonctionnement du moteur à hydrogène[modifier | modifier le code]

Principe[modifier | modifier le code]

Le moteur à hydrogène utilise le principe de la combustion du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) pour laisser comme produit de l'eau (H2O) et de l'énergie (l'énergie dégagée par la combustion de 1 kilogramme d'hydrogène équivaut à celle de 3 kilogrammes d'essence).

Moteur à explosion[modifier | modifier le code]

Il s'agit d'une réaction explosive qui actionne un piston de la même manière qu'avec l'essence ou le gazole. La réaction chimique est la suivante :

2 H2 + O2 → 2 H2O + Q (Q : quantité d'énergie libérée)

Pile à combustible[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Pile à combustible.

Dans ce cas, le terme « moteur à hydrogène » est usurpé. En effet, la pile à combustible produit de l'électricité et non pas un mouvement mécanique. Ce qui est couramment appelé « moteur à hydrogène » est en fait un ensemble pile à combustible + moteur électrique. De plus, l'hydrogène n'est pas le seul composé apte à être utilisé dans une pile à combustible, bien qu'on les associe souvent.

Moteur mixte[modifier | modifier le code]

L'adjonction de dihydrogène aux hydrocarbures utilisés classiquement dans les carburants s'est avérée efficace[5],[6]. Cependant, aucun système n'est capable de produire de dihydrogène in situ tout en augmentant le rendement du moteur. Ainsi, ce type de moteur ne résout pas les problèmes que pose le stockage du dihydrogène au sein du véhicule puisqu'il nécessite aussi un réservoir de dihydrogène.

Quelques avantages et inconvénients du système[modifier | modifier le code]

Avantages[modifier | modifier le code]

Si l'hydrogène est synthétisé de manière peu polluante, alors on gagne en termes de pollution par rapport à un moteur à énergie fossile, car sa combustion ne génère que de l'eau, rien de plus. Aucun autre sous-produit n'est généré par sa combustion. Il contribuerait à résoudre la pollution des villes. De plus, à partir de n'importe quelle source électrique et avec simplement de l'eau comme matière première, il est facile de produire et stocker l’hydrogène ; cette production pourrait donc être distribuée et même être faite individuellement par des panneaux photovoltaïques ou toute autre source d’énergie renouvelable.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Le dihydrogène n'est pas une énergie primaire : il n'est pas disponible sous forme brute dans la nature, c'est un vecteur énergétique qui a besoin d'être synthétisé à partir d'une autre source d'énergie. Avec la technologie d'aujourd'hui, il serait plus polluant d'utiliser massivement des moteurs à hydrogène en remplacement des moteurs à pétrole, si l'on tient compte de l'énergie nécessaire à la synthèse. En effet et à moins d'utiliser l'énergie géothermique, le nucléaire ou la houille blanche, cette synthèse utilise du pétrole ou du charbon comme source d'énergie, ce qui ne fait que déplacer le problème de la non-utilisation des énergies fossiles et augmente leur consommation par rapport à une utilisation directe de ces énergies dans les moteurs[7].

En outre, le stockage du dihydrogène au sein des véhicules pose problème : en plus d'être plus explosif que l'essence (sous forme stockée, une explosion ne peut survenir que si de l'oxygène en quantité est adjoint à l'hydrogène), sous forme de gaz peu comprimé, il prendrait beaucoup trop de place pour être embarqué dans un véhicule ; sous forme de gaz très comprimé, le risque d'auto-ignition augmente largement[réf. nécessaire] ; les techniques d'absorption ne sont pas au point et coûtent encore cher. Elles progressent d'année en année mais la masse embarquée d'absorbant (poudres ou pastilles d'alliages métalliques) est encore pénalisante.

Il faut cependant noter la présence en 2013 d'une Aston Martin sur le circuit du Nürburgring, fonctionnant à l'hydrogène comprimé ou à l'essence ou un mix des deux[8].

Cependant, un système d’électrolyse permet de créer du dihydrogène et du dioxygène à partir d'eau. Mais un système comme celui-ci nécessiterait un apport d'électricité qui, pour ne pas être polluante, devrait être produite par des piles photovoltaïques, ce qui pose alors un problème d'accessibilité économique par rapport au prix.

Aspect environnemental[modifier | modifier le code]

Souvent improprement nommé « moteur à eau », ce moteur est généralement présenté à tort comme moins polluant en termes de gaz à effet de serre qu'un moteur à hydrocarbures. Ce n'est, en effet, pas forcément le cas du fait des rejets générés par le processus de fabrication du dihydrogène qu'il s'agisse de reformage ou d'électrolyse. Un moteur à hydrogène n'est donc moins polluant in fine qu'à la condition que le processus de fabrication mis en jeu soit lui-même moins polluant. C'est le cas, par exemple, si l'électricité utilisée dans l'électrolyse provient d'une source d'énergie propre, comme l'hydraulique, le géothermique, l'éolien ou le solaire. En moyenne, à l'échelle mondiale, utiliser des moteurs à hydrogène aujourd'hui serait plus polluant que d'utiliser des moteurs thermiques à hydrocarbures[réf. nécessaire]. Cette substitution serait par contre écologiquement rentable dans un certain nombre de pays produisant leur électricité de façon relativement propre[réf. nécessaire].

Combustion de l'hydrogène[modifier | modifier le code]

Le moteur à hydrogène permet de générer une puissance mécanique à partir d'hydrogène en fonctionnant comme un moteur à combustion interne raccordé à un réservoir ou comme un moteur électrique branché sur une pile à combustible. Les applications peuvent être stationnaires ou embarquées (véhicules). Dans la mesure où l'hydrogène est produit à partir d'une source d'énergie non polluante, ce moteur ne génère pas directement de polluants dans le processus de combustion. En théorie et si le dihydrogène est pur, le produit de combustion est constitué exclusivement d'eau (dont la vapeur est un gaz à effet de serre).

Le classique moteur à piston est peu adapté à la combustion de l'hydrogène pur. La faible densité du mélange hydrogène-air 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 d'autres possibilités comme la quasiturbine ou le moteur Wankel. En outre, la formulation du carburant peut aisément être adaptée (adjonction d'additifs au dihydrogène) pour permettre une adaptation plus facile des moteurs à hydrocarbures.

Contexte technique[modifier | modifier le code]

L'utilisation productive d'une motorisation à l'hydrogène se confronte au problème du stockage du combustible et à celui de sa production.

Stockage du combustible[modifier | modifier le code]

Réservoir d'hydrogène liquide de Linde, Museum Autovision, Altlußheim, Allemagne

À ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées[9] :

  • le stockage comprimé gazeux (à différents niveaux de pressions) ;
  • le stockage liquide (la cryogénie, utilisée dans le domaine spatial) ;
  • le stockage moléculaire (« éponges à hydrogène »).
Article détaillé : Stockage d'hydrogène.

Production du combustible[modifier | modifier le code]

La production d'hydrogène est l'isolation du composé chimique (qui s'associe alors en dihydrogène, ou H2) à partir d'autres éléments comme l'eau ou encore les hydrocarbures.

Article détaillé : production d'hydrogène.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Louis Figuier.Les merveilles de la science, ou Description populaire des inventions modernes Livre numérique Google
  2. Paul Bertrand Dieges. VAPORIZATION OF EXHAUST PRODUCTS IN HYDROGEN-OXYGEN ENGINE . 3,844,262 Oct. 29, 1974. Continuation-in-part of Ser. No. 79,473, Oct. 9, 1970.google patent
  3. Advanced Rotary Engines sur le site mazda.com
  4. BMW Hydrogen 7, première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène sur le site moteurnature.fr
  5. (en) Changwei Ji et Shuofeng Wang, « Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean conditions », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34,‎ septembre 2009 (lire en ligne)
  6. Marius J. Rauckis, William J. McLean, « The Effect of Hydrogen Addition on Ignition Delays and Flame Propagation in Spark Ignition Engines », Combustion Science and Technology, vol. 19,‎ 1979 (lire en ligne) Fukutani et Kunioshi, « Fuel Mixing Effects on Propagation of Premixed Flames - hydrogen plus carbon monoxide flames », Bulletin of the Chemical Society of Japan,‎ 1992 (lire en ligne)
  7. http://www.manicore.com
  8. Aston Martin : l’hydrogène entre en course Cartech, avril 2013
  9. L'hydrogène, les nouvelles technologies de l'énergie. Les clefs CEA, N°50/51, hiver 2004-2005, ISSN 0298-6248

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]