Samedi 20 avril 2019 à 16:43

Ecologie, Changement climatique

     J’ai trouvé, sur la revue « Sciences et Avenir », un intéressant article sur le future voiture à hydrogène, mais trop succinct et il m’a donné envie de faire un point plus complet.l

    Je l’ai déjà dit sur ce blog, la voiture à hydrogène et intéressante car elle brûle de l’hydrogène qui associé à l’oxygène de l’air donne alors de l’eau, et donc pas de CO2, ni d’oxydes d’azote ou de particules fines : grand progrès pour le climat et notre santé !
    Malheureusement il faut mettre la voiture au point et pouvoir l’utiliser dans tout le pays; ce n’est pas si simple pour plusieurs raisons.
    Evidemment lorsque l’on pourra acheter de telles voitures, il faudra disposer des l’approvisionnement en hydrogène sous une forme adéquate dans les stations services. Il faudra aussi pour pouvoir l’approvisionner qu’on en produise en quantité suffisante, pour remplacer l’essence actuelle, et aujourd’hui, nous n’en sommes pas capables : c’est un autre problème que je traiterai demain.

    On pourrait brûler l’hydrogène dans un moteur à pistons classique, sans changements majeurs. Le premier moteur à combustion, développé en 1805 par Isaac de Rivaz (Suisse), était alimenté à l’hydrogène ! Donc on pourrait théoriquement utiliser des voitures voisines des voitures actuelles.
    Plusieurs prototypes ont existé, mais il y a quelques problèmes :
    Essentiellement une question de volume : l’hydrogène est 3 fois plus énergétique, à masse égale  que l’essence, mais il est très léger : 89g/m3, soit 12 m3/kg.
Si vous prenez un réservoir actuel d’essence de 60 litres d’une grosse voiture, stockant environ 45 kg d’essence, il faudrait en équivalent 15 kg d’hydrogène, soit 180 m3 de gaz
    Sous 200 bars de pression, il faudrait encore 1 m3 de volume et le réservoir d’acier doit résister à cette pression et pèserait plus que la tonne (autant que la voiture !). Impensable.
    Un autre problème est le fait que l’hydrogène, en présence d’oxygène (de l’air) est explosif. Donc toute fuite est très dangereuse : d’où une étanchéité drastique de toutes les conduites et raccords, que ce soit des réservoirs au moteur, comme des stations d’approvisionnement au réservoir.
    Ces deux problèmes ont empêché tout développement majeur jusqu’à ces dernières années.

    Actuellement on s’oriente plutôt vers une voiture électrique alimentée par une pile à combustible, et il existe 3 constructeurs : Toyota, Hyundai et Honda,: 3600 véhicules ont été vendus, essentiellement par Toyota et aux USA; ces véhicules sont très chers, de 60 000 à 70 000 €. Les constructeurs français Peugeot et Renault, commencent à s’y intéressent ainsi que Mercédes.
    Vous voyez ci-dessous deux photos des voitures Toyota et Hyundai et un schéma de la coupe de la voiture de Toyota, la « Mirai ».

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/toyotamiraiphoto0007620x413.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown-copie-4.jpg
Toyota Miraï
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Hyundai Nexo
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http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/toyotamiraireservoirs-copie-1.jpg
    La voiture est équipée de deux réservoirs à hydrogène, qui sont en fibre de carbone et stockent 5 kg d’hydrogène sous 700 bars, et conçus pour résister à des chocs. Tout un sytème de sécurité détecte les fuites et ferme automatiquement le réservoir
    Le ravitaillement et également très sécurisé : une fois raccordé à la voiture par le biais d’une pistolet, la station évalue automatiquement le différentiel de pression pour enclencher, ou pas, le ravitaillement en hydrogène de la voiture. Là encore des sécurités interviennent en cas de risque de fuite (notamment verrouillage du pistolet, interdiction de démarrage du moteur, arrachage du tuyau au niveau de la station et fermeture d’un robinet si la voiture emmenait par accident la tuyauterie…)
    Le « plein » peut être fait en quelques minutes.

    L’hydrogène alimente une pile à combustible de 114 kW (155 ch). Celle-ci charge une batterie Nickel-hydrures métalliques de 1.6 kwh, qui récupère l’énergie lors des phases de freinage et de décélération et apporte un supplément de puissance en phase d’accélération.
    Pile à combustible et batterie alimentent un moteur électrique synchrone de 113 kW (154 ch) et 335 Nm permettant à la Toyota Mirai d’atteindre jusqu’à 178 km/h de vitesse maximale et d’abattre le 0 à 100 km/h en 9.6 secondes. Elle est dotée d’une boite automatique
    La Toyota propose trois modes de conduite – « Normal, Eco et Power » – ainsi qu’un mode « brake » permettant d’accentuer le frein moteur et la récupération d’énergie. Son autonomie est de l’ordre de 500 km.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/images-copie-2.jpg    Comment fonctionne une pile à combustible ?
    Une pile à combustible est en quelque sorte l’inverse d’un électrolyseur. Les réactions chimiques sont les mêmes que dans l’électrolyseur, mais inversées (voir schéma ci contre).
    L’hydrogène traverse un diffuseur (une matière carbonée poreuse) et atteint l’électrode négative (anode), recouverte de platine, qui favorise le départ d’un électron de l’atome. Ces électrons forment le courant électrique produit. Les ions hydrogène dépourvus de son électron (ion H+) émigre au travers d’une membrane électrolyte polymère vers l’électrode positive, (cathode), où ils se combinent à des électrons libérés par cette électrode et à de l’oxygène, produisant de l'eau.qui est éliminée.
    Les électrodes, l’anode et la cathode sont constituées de fines particules - des nanotubes de carbone ou des grains de noir de carbone de 50 nanomètres de diamètre sur lesquelles est déposé un catalyseur qui facilite la recombinaison H2 / O2. Actuellement ce catalyseur est constitué de fines particules de platine de quelques nanomètres de diamètre, ce qui est extrêmement onéreux. 
On espère pouvoir remplacer le platine par des molécules organiques  imitant le site actif d'enzymes qui libèrent de l'hydrogène chez des bactéries, et produire ainsi un catalyseur bon marché.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/12008004abdf0ce3cad71b96d3d9fc0.jpg    La voiture à hydrogène est déjà une réalité, puisqu’elle circule depuis 2014, mais à effectifs réduits, ce qui n’a rien d’étonnant vu son prix.
    Son avenir paraît être plutôt celui d’une voiture hybride, c’est à dire une vraie voiture électrique avec des batteries importantes, LI/ions pour le moment, et une pile à combustible d’appoint pour prolonger le rayon d’action. Le réservoir d’hydrogène peut être alors plus réduit.
    Une petite société française grenobloise, Symbio,  a conçu avec l’aide du CEA, et l’aide financière de Michelin et d’Engie, un « kit » destiné à des kangoos électriques de Renault, qui rajoute 180 km d’autonomie. Des adaptations à d’autres véhicules utilitaires sont en cours.
   
    Mais deux gros problèmes subsistent :
    D'abord disposer de stations services assez répandues pour pouvoir s’approvisionner comme on le fait pour l’essence. Cela ne pose pas de question technique difficile, mais c’est un problème d’investissement, d’un coût élevé
    Le véritable problème est celui de la production d’hydrogène en quantité suffisante, sans produire de CO2 et à un coût raisonnable.

  
Je le traiterai dans le prochain article.
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