Moteur à hydrogène

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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 .

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 indique 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].

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.

Moteur à combustion [modifier | modifier le code]

Ce moteur met en œuvre une combustion contrôlée de l'hydrogène actionnant 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.[réf. nécessaire] Une étude comparative d'encombrement avec un réservoir essence doit venir à l'appui de cette affirmation.

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

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Avantages[modifier | modifier le code]

Si l'hydrogène est produit de manière peu polluante, alors on gagne en termes de pollution par rapport à un moteur à énergie fossile, car sa combustion ne produit que de l'eau, rien de plus. Aucun autre sous-produit n'est produit. 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 produit à partir d'une autre source d'énergie notamment par un système d’électrolyse. Avec la technologie d'aujourd'hui en 2018, 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 production. En effet et à moins d'utiliser l'énergie géothermique, l'énergie solaire, le nucléaire ou la houille blanche, cette production utilise actuellement du pétrole ou du charbon comme source d'énergie, (exactement comme pour la production de carburants à partir de pétrole) ce qui ne ferait que déplacer le problème de la non-utilisation des énergies fossiles, mais seulement pour la production.[réf. nécessaire].

En outre, le stockage du dihydrogène au sein des véhicules pose un 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-allumage augmente fortement[7] ; 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.[réf. nécessaire]

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 mélange des deux[8].

Aspect environnemental[modifier | modifier le code]

Souvent improprement nommé « moteur à eau », ce moteur est généralement présenté comme moins polluant en termes de gaz à effet de serre qu'un moteur à hydrocarbures puisqu'il ne dégage que de la vapeur d'eau. Cependant, il faut considérer le processus amont de fabrication de l'hydrogène qui va servir de carburant, qui dégage autant de CO2 qu'un moteur diesel (100 g de CO2 par km[9]). Un moteur à hydrogène n'est donc moins polluant in fine qu'à la condition que le processus de fabrication de ce gaz et celui du moteur soient eux-mêmes moins polluants. C'est le cas, par exemple, si l'électricité utilisée dans l'électrolyse de l'eau servant à fabriquer l'hydrogène provient d'une source d'énergie non carbonée, comme l'hydraulique, le nucléaire, le géothermique, l'éolien ou le solaire. A cette condition, la fabrication de moteurs à hydrogène pourrait être une option écologiquement satisfaisante[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). En théorie et si le dihydrogène est pur, le produit de combustion est constitué exclusivement d'eau. Si l'hydrogène est produit, de plus, à partir d'une source d'énergie non polluante, ce moteur ne génère pas de polluants.

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[réf. souhaitée].

Il existe toutefois d'autres possibilités comme la quasiturbine ou le moteur Wankel (à essence : Mazda RX-8, à hydrogène : Mazda RX-8 Hydrogen RE). 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[réf. nécessaire].

Dans l'aviation, l'utilisation du dihydrogène comme carburant, éventuellement d'origine renouvelable, est envisagée à long terme par des constructeurs, en remplacement du kérosène[10].

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[11] :

  • 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 »)[12],[13].
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,‎ (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,‎ (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,‎ (lire en ligne)
  7. « Inflammation par compression adiabatique », sur INERIS,
  8. Aston Martin : l’hydrogène entre en course Cartech, avril 2013
  9. « Hydrogène – Pile à combustible : à quand le décollage ? », sur Auto moto,
  10. « Guillaume Faury, patron d’Airbus : « Il ne faut jamais gâcher une bonne crise » », Le Monde, .
  11. L'hydrogène, les nouvelles technologies de l'énergie. Les clefs CEA, N°50/51, hiver 2004-2005, ISSN 0298-6248
  12. « Stocker les énergies renouvelables grâce à l’hydrogène solide », sur contrepoints.org, (consulté le 10 novembre 2018)
  13. « L'hydrogène solide, une révolution est en cours dans la production d'énergie », sur moovely.fr, (consulté le 10 novembre 2018)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Edouard Freund, Paul Lucchese, L'hydrogène, carburant de l'après-pétrole ?, éditions TECHNIP, , 358 p. (lire en ligne)
  • Pierre-Etienne Franc, Pascal Mateo, Hydrogène : la transition énergétique en marche !, éditions Gallimard, , 160 p.

Articles connexes[modifier | modifier le code]