Hydrogène et pile à combustible

Divers
Hydrogène et pile à combustible
Origine, extraction
Le mot hydrogène, dont le symbole
chimique «H», dérive du latin hydrogenium (hydrogène) et est un constituant
de l’eau (H2O). On le trouve dans tous les
organismes vivants, le pétrole, le gaz
naturel ainsi que dans de nombreux
minéraux. Il est cependant toujours lié à
un autre élément comme l’oxygène (O),
le carbone (C), etc.
On peut obtenir de l’hydrogène à partir
d’hydrocarbures, tels que le gaz naturel, par
exemple. C’est aujourd’hui la méthode la
moins coûteuse et donc la plus utilisée. 90%
de l’hydrogène utilisé dans le monde sont
produits à partir de matières premières fossiles. Ce processus engendre une grande
quantité de CO2 et consomme beaucoup
d’énergie. Le gaz naturel peut également
être directement utilisé comme carburant
automobile, sans devoir passer par le détour
complexe qu’implique l’hydrogène.
A l’aide du courant électrique (électrolyse),
on peut également décomposer l’eau H2O
en hydrogène H2 et oxygène O2. La combustion de l’hydrogène produit à son tour de
l’eau. Au total, la quantité d’électricité
nécessaire est cependant plus de deux fois
supérieure à la quantité d’énergie disponible
pour la propulsion d’une automobile à l’hydrogène à la fin de la chaîne de production.
Bien que, au cours de l’été 2008, des chercheurs de l’Université de Massachusetts
aient trouvé une possibilité de réduire le
courant nécessaire à l’aide d’un nouveau
type de catalyseur liquide, la quantité de
courant devant être investie pour la décomposition de l’eau sera cependant toujours
plus grande que la quantité d’énergie de 33
kWh/kg libérée par la combustion de l’hydrogène! Dans le cas contraire, on aurait
trouvé le mouvement perpétuel.
Propriétés
L’hydrogène est l’élément le plus léger qui
soit. Pour cette raison, il a besoin d’un
espace relativement grand. En tant que
combustible, sa valeur énergétique est
cependant élevée.
– Densité gazeuse à 0°C et pression normale: 0,09 g/l. Dans ces conditions, un
litre d’hydrogène a théoriquement besoin
de l’espace d’une pataugeoire de taille
moyenne (environ 11 m3).
– Densité liquide: 71 g/l pour un point
d’ébullition de –253°C, (essence: 745 g/l
et 15 °C). Dans un récipient, 14 litres
d’hydrogène liquide ne pèseraient qu’un
kilogramme.
– Emissions de CO2: en brûlant de l’hydrogène (H2), on obtient de l’eau (H2O).
Cette combustion ne génère pas de
CO2.
– Recherche de l’indice d’octane: probablement inférieur à celui de l’essence
sans plomb 91. L’indice d’octane est
significatif pour un moteur à combustion
mais plutôt négligeable pour la pile à
combustible.
– L’hydrogène est une marchandise dangereuse classifiée «extrêmement inflammable».
– Dans un mélange hydrogène – eau d’un
volume de 4 à 76 en % se forme
l’aquygen qui s’enflamme en cas de formation d’étincelles. Comme l’hydrogène
est également très volatil et peut même
s’échapper à travers des murs d’acier
simple, ces caractéristiques recèlent un
potentiel de risque élevé.
Il n’existe pas de station service d’hydrogène en Suisse et aucune n’est actuellement
(2009) planifiée.
A l’heure actuelle, l’hydrogène coûte 8
euros/kg en Allemagne, ce qui correspond à
CHF 12.–/kg, hors impôt sur les huiles minérales et impôt écologique. La valeur énergétique d’1kg d’hydrogène correspond à 3,7
litres d’essence – ce qui signifie que le prix
de la valeur énergétique de l’hydrogène correspond environ à un prix du litre d’essence
de CHF 3.25.
Les spécialistes pensent qu’à moyen terme,
ce prix baissera de moitié si la demande augmente fortement. On est en droit de douter
que ce calcul tienne compte du fait qu’une
forte augmentation de la demande d’hydrogène entraînerait également une augmentation du prix du gaz naturel en tant que
matière première.
Réservoirs des véhicules
Stations de remplissage
On distingue les réservoirs à hydrogène
liquide à –253°C des réservoirs à hydrogène gazeux compressé à 350 ou 700 bars.
La majorité des prototypes sont cependant
équipés d’un réservoir à gaz supportant une
pression de 350 bars. Les constructeurs indiquent cependant qu’à l’avenir la moyenne
courante sera de 700 bars. La quantité
d’énergie nécessaire à la compression à
700 bars correspond environ à 12 % de la
valeur énergétique de l’hydrogène. La quantité d’énergie nécessaire à la liquéfaction de
l’hydrogène est encore plus élevée.
Il existe quatre stations de remplissage en
Allemagne: deux à Berlin, une à Munich et
une à Francfort. Depuis novembre 2006 il
est possible de faire le plein d’hydrogène
cryogénique ainsi que d’hydrogène gazeux
avec des pressions de remplissage de 350 et
700 bars à Francfort.
Un coffre à bagages peut accueillir un réservoir contenant 8 kg d’hydrogène liquide.
Dans le cas de la BMW Hydrogen 7, il reste
une capacité de chargement de près de 200
litres. Ce système ne requiert pas de surpression mais pose d’énormes exigences quant
On sait, grâce aux premiers prototypes des
années 1980, que près de la moitié du
contenu du réservoir se volatilise par les
parois du réservoir pendant un temps d’immobilisation de dix jours. Depuis, ce problème semble avoir été résolu. Les exigences
en termes d’étanchéité et surtout de résistance au vieillissement du système de carburant sont cependant très élevées.
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au refroidissement et à l’isolation thermique
du réservoir et des conduites.
Les réservoirs à gaz requièrent davantage
d’espace. Dans son réservoir de 42 cm de
diamètre et 210 cm de longueur, «Hy-Series-Drive», le prototype de Ford construit
aux Etats-Unis, stocke 4,5 kg d’hydrogène
à 350 bars. Cette grande bouteille de gaz
couchée dans le sens de la longueur est
positionnée au centre du véhicule, sur le
plancher. Comprimé à 700 bars, le même
volume permettrait de transporter environ 8
kg d’hydrogène.
Environ une centaine d’unités de l’Hydrogen
7, dernier né de BMW, ont été construites.
Ce modèle est doté d’un moteur V 12 de
6,0 l de cylindrée, d’une puissance de près
de 260 CV qui fonctionne à l’essence ou à
l’hydrogène. Une touche au volant permet
de changer l’alimentation en carburant.
Pile à combustible
Véhicules
Les véhicules à hydrogène n’existent encore
que sous forme de prototype construit à
l’unité ou en très petites séries pour des
essais. On distingue entre les véhicules à
moteur à combustion et les véhicules à pile
à combustible. La variante moteur à combustion semble être un peu moins éloignée
d’une production en série, adaptée à l’usage
quotidien. La combustion génère cependant
des oxydes d’azote NOx, qui devraient éventuellement être traités ensuite, ce qui n’est
pas le cas pour la pile à hydrogène.
Moteur à combustion
Depuis les années 80, BMW teste la propulsion à hydrogène et a toujours misé sur le
moteur à combustion. Grâce à cette stratégie, BMW possède, en cas de nécessité, une
alternative «voisine» sans avoir à se lancer
dans la construction d’une automobile totalement repensée et de mettre en place une
production avec des sous-traitants entièrement nouveaux. Selon BMW, des améliorations techniques permettraient quasiment
de compenser, en ce qui concerne l’efficacité, le désavantage du moteur à combustion par rapport à la pile à hydrogène.
Si les déclarations faites à l’occasion du salon
IAA de Francfort en 1997 avaient été mises
en œuvre, des voitures à pile à combustible fabriquées en série circuleraient sur nos
routes depuis 2005. A l’époque, les ingénieurs comptaient faire le plein au méthanol
et générer l’hydrogène nécessaire à la pile à
combustible à bord, à partir du méthanol,
par le biais de reformeurs. Comme le méthanol n’est pas disponible en quantités suffisantes à long terme, tous les constructeurs
privilégient aujourd’hui le stockage de l’hydrogène dans un réservoir transporté dans
la voiture et ce, malgré la difficulté technique que cela représente.
L’hydrogène H2 est introduit au niveau de
l’anode. Grâce à un catalyseur, les particules sont dissociées en charges positives
et négatives. Les particules à charge positive (protons) peuvent directement franchir la membrane, la traverser et «migrer»
vers la cathode. Elles se dirigent ainsi parce
que de l’oxygène atmosphérique à charge
négative se tient prêt pour une liaison H2O
sur la cathode. En revanche, la membrane
ne laisse pas passer les particules à charge
négative, les électrons, qui sont ainsi obligés
de faire un détour à travers une conduite.
Un courant qu’on peut exploiter est ainsi
généré. Une pile ne produisant qu’une tension de 0,5 à 1,0 V, il faut une très grande
quantité de petites unités pour faire avancer
une voiture.
Récemment encore, un des grands obstacles à l’utilisation quotidienne des piles à
combustible tenait au fait qu’elles ne fonctionnaient parfaitement que dans une fourchette de température allant de 0 à 100 °C,
quand l’eau est à l’état liquide. Des modifications prometteuses au niveau de la membrane électrolyte (voir schéma à gauche)
semblent indiquer qu’il sera possible à l’avenir de démarrer à froid à des températures
inférieures à –20 °C et d’avoir des températures d’exploitation supérieures à 100 °C. Le
parcours menant aux applications pratiques
de la production en série est cependant
encore long.
La pile à combustible ne brûle pas l’hydrogène avec une flamme. Elle transforme
la valeur énergétique de l’hydrogène en
courant électrique. Le courant alimente un
moteur électrique et/ou recharge une batterie pour l’énergie tampon.
Schéma de fonctionnement
Les actuelles piles à combustible travaillent
avec un degré d’efficacité d’environ 50 %.
De nombreux ingénieurs ont pour objectif
d’augmenter cette valeur à 60 ou 70 %.
Cela équivaudrait presque au double des
valeurs des moteurs à combustion, dont le
degré d’efficacité atteint, en règle générale,
de 30 à 40 %.
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Consommation de carburant et coûts
Appréciation
La consommation d’hydrogène de la BMW
Hydrogen 7 à moteur à combustion est
d’environ 3,5 kg/100 km. Cela correspond
à des coûts de carburant d’environ CHF
42.–/100 km, soit presque le double d’une
voiture à essence qui consommerait près de
14 l/100 km. Si l’essence coûte CHF 1.60,
cela représente des coûts de carburant de
CHF 22.40/100 km.
Il reste à savoir comment produire l’hydrogène. Si l’on se sert de matières premières
fossiles pour la production, ces dernières
s’épuisent plus rapidement et génèrent des
émissions de CO2. Dans ce cas, les autorités
fiscales interviendront tôt ou tard, que ce
soit pour rendre la production plus concurrentielle à l’aide de l’électrolyse ou pour la
réduction des émissions de CO2.
La majorité des sources indiquent des valeurs
de consommation des différents prototypes
de piles à combustible se situant aux alentours de 1,5 kg/100 km. Cela représente
moins de la moitié de la consommation d’un
moteur bivalent hydrogène/essence.
Comme pour les véhicules électriques, il
faudra alors se demander où prendre le courant pour l’électrolyse. Les centrales au gaz
naturel et au charbon émettent des gaz à
effet de serre tandis que les centrales atomiques et les nouvelles centrales hydro-électriques sont souvent controversées au niveau
politique. Il reste l’énergie éolienne et solaire
qui, bien que considérées comme propres,
ne couvrent qu’une partie des besoins en
électricité et suscitent en partie déjà des
réserves.
Exemples:
• «1,5 kg aux 100 km», essais routiers au
volant de la Mercedes F-Cell (ADAC)
• «4,2 kg pour une autonomie de 320
km», Opel Hydrogen4 (Automobil
Revue, Tagesanzeiger)
• «Un peu plus de 1 kg/100 km», Nissan
X-Trail FCV (Automobil Revue)
• «4,5 kg pour une autonomie de 320
km», Ford Hy-Series-Drive (Automobil
Revue)
Une consommation d’hydrogène de 1,5
kg/100 km correspond à une consommation
d’énergie de 50 kWh/100 km par rapport
aux 22 kWh/100 km, qui sont la consommation approximative d’une voiture électrique. De ce point de vue, il serait plus judicieux d’utiliser le courant pour charger les
véhicules électriques que pour l’électrolyse
de l’eau.
L’avantage décisif des voitures à hydrogène
se situe au niveau du processus de remplissage du réservoir. Même si ce dernier dure
deux fois plus longtemps que pour les voitures à essence ou diesel, il requiert cependant nettement moins de temps que pour la
recharge des batteries.
Il est imaginable que, à l’avenir, lorsque
l’ère du pétrole finira, on utilisera plutôt des
moteurs électriques et les véhicules légers
pour les courts trajets, des moteurs à hydrogène ou à pile à combustible pour les longs
trajets, les véhicules lourds et les transports
de marchandises. Mais plusieurs décennies
nous séparent encore de cette époque.
Pour finir, nous souhaitons faire remarquer
que seules les voitures offrent aux nouvelles
technologies des conditions aussi «inhospitalières»: écarts marqués des températures,
ébranlements permanents, forces centrifuge, de freinage, d’accélération, mouvements de bascule, influence de la poussière,
de la pluie, des projections d’eau, de l’eau
salée, ondes électromagnétiques au rayonnement toujours fluctuant dans les fréquences et intensités de champ les plus diverses,
etc. Pour les piles à combustible, les applications stationnaires telles que, par exemple le
chauffage de bâtiments, seraient bien plus
simples. Il semble cependant que de nombreux inventeurs préfèreraient voir appliquer leurs inventions à la voiture – que ce
soit pour des motifs affectifs ou en raison du
nombre incroyablement élevé de véhicules.
En termes de valeur énergétique, une
consommation d’hydrogène de 1,5 kg/100
km correspond à une consommation d’essence d’environ 5,6 l/100 km. Vu le poids
des véhicules, qui atteint généralement les
2 tonnes, cette valeur n’est pas mauvaise et
semble également plausible compte tenu de
la meilleure efficacité des piles à combustible par rapport aux moteurs à essence. Le
prix de l’hydrogène étant de CHF 12.–/kg
(hors impôts sur les huiles minérales), il en
résulte des prix de carburant d’environ CHF
18.– pour un trajet de 100 km entre Zurich
et Berne.
© TCS Conseils & Expertises,
Emmen
Doctech:
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ES
Index:
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N° actuel: 3979fr
Date: 01.03.2010