Moteur a hydrogène 2008
La commission européenne de Bruxelles débloque 470 Millions d'euros pour favoriser la recherche sur l'évolution des moteurs à hydrogène par les constructeurs automobiles. La commission planche aussi sur une future norme pour l'homologation des moteurs des voitures à hydrogène.
Comment fonctionnent les voitures à hydrogène
La voiture du futur est là aujourd'hui. Bien sûr, vous ne pouvez pas encore en acheter une ; mais si vous vivez en Californie, vous pouvez en louer une. Elle n'utilise pas d'essence et ne pollue pas l'air. En fait, elle produit de la vapeur au lieu de gaz d'échappement. Alors quel est ce carburant mystérieux ? L'hydrogène - l'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers. Et certains pensent que dans 20 à 30 ans, nous conduirons tous ces véhicules à hydrogène, qui consomment peu de carburant.
Bien que les voitures à hydrogène aient un caractère de science-fiction, l'idée n'est pas vraiment nouvelle. En fait, la technologie permettant d'utiliser l'hydrogène pour produire de l'énergie existe depuis la première partie du XIXe siècle, c'est-à-dire depuis plus longtemps que les voitures. Ce qui est nouveau, c'est que vous pouvez voir une voiture à hydrogène sur la route, avec de la vapeur sortant de son tuyau d'échappement au lieu de gaz malodorants. Plusieurs voitures à hydrogène existent aujourd'hui, mais la plupart sont des voitures concept. Parmi ces véhicules écologiques, on trouve la Chevrolet Equinox, la BMW 745h et la Honda FCX, actuellement disponible en location en Californie.
La voiture à hydrogène est rendue possible grâce à un dispositif appelé pile à combustible, qui convertit l'hydrogène en électricité, ne dégageant que de la chaleur et de l'eau comme sous-produits. Parce qu'il est non polluant, l'hydrogène semble être le carburant idéal pour le XXIe siècle. De nombreuses personnes au sein du gouvernement et de l'industrie automobile sont enthousiastes quant à son potentiel. Les voitures à hydrogène ont le potentiel d'être économes en carburant et offrent l'espoir d'une conduite écologique et respectueuse de l'environnement. Mais il reste beaucoup de problèmes à surmonter et de questions à résoudre avant que l'hydrogène ne devienne le carburant de choix pour suffisamment de personnes pour faire une grande différence dans notre utilisation actuelle des combustibles fossiles. Par exemple, où trouverons-nous l'hydrogène ? Quel sera le coût d'achat de ces voitures économes en carburant ? Serez-vous en mesure de trouver une station de ravitaillement en hydrogène pour remplir votre réservoir ? Et, peut-être le plus important, en tant que carburant, l'hydrogène est-il vraiment aussi non polluant qu'il y paraît ?
Nous examinerons ces questions dans les paragraphes qui suivent, mais nous pouvons vous donner une réponse rapide dès maintenant : À moins que vous ne viviez dans des régions très spécifiques du pays et que vous ayez les poches pleines d'argent, ne vous attendez pas à trouver une voiture à hydrogène dans votre allée au cours de la prochaine décennie.
Piles à hydrogène
En 1839, le scientifique gallois Sir William Robert Grove a repris le procédé électrochimique bien connu de l'électrolyse, qui utilise l'électricité pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau, et l'a inversé, en produisant de l'électricité et de l'eau à partir de l'hydrogène. Il a appelé son invention une batterie voltaïque à gaz, mais nous la connaissons aujourd'hui sous le nom de pile à combustible à hydrogène. Beaucoup plus tard, au milieu du 20e siècle, la technologie a été développée par l'inventeur Francis Bacon. La technologie que ces deux inventeurs ont mise au point est essentielle au fonctionnement d'une voiture à hydrogène.
Le premier système pratique de pile à combustible a été développé au début des années 1960 par General Electric pour être utilisé dans des capsules spatiales orbitales. Et puis, dans les années 1990, les piles à combustible ont commencé à apparaître dans les bus urbains. Nous savons donc qu'il est possible d'alimenter les véhicules avec des piles à combustible. On peut considérer une pile à combustible comme une sorte de batterie, sauf que si une batterie conserve son combustible à l'intérieur d'elle-même, une pile à combustible doit être rechargée. Le combustible d'une pile à combustible à hydrogène est, comme son nom l'indique, l'hydrogène. Comme vous vous en souvenez peut-être en cours de chimie au lycée, l'hydrogène est le plus simple de tous les éléments. Un atome d'hydrogène est constitué d'un seul électron et d'un seul proton. La pile à combustible produit de l'électricité en retirant les électrons des protons et en utilisant les électrons pour créer un flux d'électricité pur. Les atomes d'hydrogène ionisés se combinent ensuite avec l'oxygène pour former de l'eau. L'autre sous-produit de ce processus est la chaleur, de sorte que cette eau prend généralement la forme de vapeur. Comment cela se passe-t-il pour une conduite écologique ?
Le type de pile à combustible utilisé dans les voitures est la pile à membrane échangeuse de polymère (ou PEM). Les piles à combustible PEM ont l'avantage d'être légères et petites. Elles se composent de deux électrodes (une anode chargée négativement et une cathode chargée positivement), d'un catalyseur et d'une membrane. L'hydrogène est forcé dans la pile à combustible au niveau de l'anode sous la forme de molécules H2, chacune d'entre elles contenant deux atomes d'hydrogène. Un catalyseur situé à l'anode brise les molécules en ions d'hydrogène (les protons) et en un flux d'électricité (les électrons). Les ions passent à travers la membrane, mais l'électricité doit faire le tour. Ce faisant, elle peut être exploitée pour effectuer des travaux. Tout comme l'hydrogène est forcé dans la pile à combustible à l'anode, l'oxygène est forcé à la cathode. Les protons et les électrons se réunissent à la cathode et se joignent à l'oxygène pour former de l'eau, dont la plupart deviennent l'échappement de la pile à combustible. Les piles à combustible sont conçues pour être plates et minces, principalement pour pouvoir être empilées. Plus il y a de piles à combustible dans l'empilement, plus la tension de l'électricité produite par l'empilement est élevée.
De nombreuses personnes pensent que les véhicules à faible consommation de carburant, comme les voitures à hydrogène, seront essentiels pour répondre aux besoins énergétiques du XXIe siècle. En 2003, le président George W. Bush a annoncé une initiative de 1,2 milliard de dollars pour soutenir le développement de la technologie des piles à combustible. Les piles à combustible présentent deux avantages majeurs par rapport aux combustibles fossiles. Premièrement, elles n'épuisent pas les réserves limitées de pétrole dans le monde, ce qui nous aide à préserver les réserves existantes et elles pourraient également réduire notre dépendance vis-à-vis du pétrole étranger. Deuxièmement, les seuls sous-produits du fonctionnement d'une pile à combustible sont la chaleur et l'eau, ce qui signifie que les piles à combustible ne produisent pas de pollution. Cela est d'une importance vitale à une époque où l'on pense que les émissions de carbone des voitures favorisent le réchauffement de la planète.
À paragraphe suivant, nous verrons comment les voitures à hydrogène et les piles à combustible sont produites. Et, ce qui est peut-être plus important, nous verrons d'où viendra l'hydrogène lui-même.
Production de voitures à hydrogène
Alors comment les constructeurs construisent-ils réellement des véhicules économes en carburant, comme les voitures à pile à combustible ? Eh bien, la production de voitures à hydrogène n'est pas très différente de la production de voitures classiques. Bien sûr, le groupe motopropulseur, par exemple, et les systèmes électriques seront quelque peu uniques car une pile à combustible crée de l'électricité. Par conséquent, une voiture à hydrogène et une voiture électrique ont beaucoup en commun à cet égard. Une question peut-être plus importante est de savoir comment l'hydrogène lui-même sera produit. Étant donné que l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, constituant environ 90 % des atomes existants, on pourrait penser que cela ne pose pas de problème. Eh bien, détrompez-vous. L'hydrogène est également l'élément le plus léger de l'univers et tout hydrogène non contenu à la surface de la Terre s'envolera immédiatement dans l'espace. Ce qui reste d'hydrogène sur cette planète est lié à d'autres éléments sous forme moléculaire, le plus souvent dans des molécules d'eau (H2O). Et il se trouve qu'il y a beaucoup de H2O à la surface de la Terre.
Mais comment séparer les molécules d'hydrogène dans l'eau des molécules d'oxygène ? Et si nous n'utilisons pas l'eau comme source d'hydrogène, où pouvons-nous obtenir de l'hydrogène ?
Le moyen le plus simple d'obtenir de l'hydrogène à partir de l'eau est celui que Sir William Grove connaissait il y a plus de 150 ans : l'électrolyse. Si vous faites passer un courant électrique dans l'eau, les molécules d'H2O se décomposent. Semblable au fonctionnement d'une pile à combustible, ce procédé utilise une anode et une cathode, généralement faites de métaux inertes. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à l'eau, de l'hydrogène se forme à la cathode et de l'oxygène à l'anode. Bien que ce processus soit lent, il peut être réalisé à grande échelle.
Une autre source d'hydrogène est le gaz naturel, qui se compose d'hydrocarbures naturels. Un procédé appelé reformage à la vapeur peut être utilisé pour séparer l'hydrogène du carbone. Il s'agit actuellement de la méthode la plus courante de production d'hydrogène à l'échelle industrielle et serait probablement la première méthode utilisée pour produire l'hydrogène destiné aux véhicules à pile à combustible. Malheureusement, ce procédé utilise des combustibles fossiles - le gaz naturel - donc si le but de construire des voitures fonctionnant à l'hydrogène est d'éviter d'épuiser les réserves de combustibles fossiles, le gaz naturel serait la pire source possible de ce carburant.
Certains experts ont suggéré qu'il pourrait être possible de construire des usines miniatures d'hydrogène qui tiendraient dans le garage du citoyen moyen, de sorte qu'il ne serait même pas nécessaire de se rendre à la station-service locale pour faire le plein d'hydrogène de la voiture. La forme la plus extrême de cette idée a été la suggestion que l'électrolyse pourrait être effectuée à l'intérieur de la voiture elle-même, ce qui rendrait possible l'idée étonnante d'une voiture qui fonctionne à l'eau ! Cependant, l'énergie nécessaire à l'électrolyse doit provenir d'une sorte de batterie, de sorte qu'une voiture fonctionnant à l'eau devrait être rechargée périodiquement.
Alors, les engins de conduite écologiques comme les véhicules équipés de piles à combustible sont-ils vraiment les voitures du futur ? Beaucoup de gens l'espèrent, mais il existe plusieurs obstacles potentiels sur la voie d'un monde où les gens se déplaceraient dans des voitures fonctionnant à l'hydrogène. Nous les examinerons à la page suivante.
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Reculs des voitures à hydrogène
Beaucoup de gens pensent que les piles à combustible à hydrogène sont la plus importante technologie de carburant alternatif actuellement en cours de développement. Cependant, elle n'est pas sans problèmes, et il faudra peut-être des décennies avant que la technologie des piles à combustible ne soit largement utilisée. Nous pouvons grosso modo regrouper les problèmes liés à l'hydrogène en trois catégories : les coûts de développement de la technologie, les difficultés et les dangers liés au stockage de l'hydrogène et la possibilité que cette "technologie non polluante" ne soit pas aussi non polluante après tout. Voici quelques-uns des revers de la voiture à hydrogène que nous pouvons nous attendre à devoir affronter dans un avenir proche.
Les coûts de développement de la technologie de l'hydrogène sont élevés. Non seulement nous devons concevoir et développer les piles à combustible et les voitures, mais nous devons aussi développer une infrastructure pour soutenir ces véhicules à faible consommation de carburant. Imaginez que vous possédiez actuellement une voiture à hydrogène. Où iriez-vous pour remplir votre réservoir ? En supposant que vous n'ayez pas d'installation de production d'hydrogène dans votre garage, vous aurez besoin d'une station de ravitaillement en hydrogène, et le seul endroit où il existe un nombre important de telles stations à l'heure actuelle est l'État de Californie, où le gouverneur Arnold Schwarzenegger s'est engagé à soutenir un avenir de l'hydrogène. Selon certaines estimations plus pessimistes, le coût de la construction d'une infrastructure qui permettra à un nombre important de voitures à hydrogène d'atteindre 500 milliards de dollars - et le temps nécessaire pour produire cette infrastructure peut atteindre quatre décennies !
Le coût des voitures est également élevé. Le platine étant le catalyseur le plus utilisé dans les piles à combustible, le prix d'un seul véhicule à pile à combustible dépasse actuellement les 100 000 dollars, voire beaucoup plus. C'est pourquoi les seules voitures à hydrogène que vous pouvez conduire actuellement sont en location, et non en vente. Peu de gens sont en mesure de s'offrir une voiture aussi chère. D'autres catalyseurs sont en cours de développement, qui seront probablement moins chers que le platine, mais personne ne sait quand ils seront disponibles pour une utilisation à grande échelle.
Le problème du stockage est également épineux. L'hydrogène est un gaz et il aime se répandre. Pour le mettre dans une voiture, il faut le comprimer à une taille raisonnable, ce qui n'est pas facile. De plus, l'hydrogène se réchauffe lorsqu'il se trouve dans le réservoir d'une voiture en stationnement, ce qui provoque l'expansion du gaz. Cela signifie que les réservoirs doivent évacuer périodiquement l'hydrogène de la voiture. Laissez une voiture à hydrogène en stationnement pendant plus de quelques jours et tout le carburant aura disparu. L'hydrogène est également très inflammable - certains pensent que l'explosion spectaculaire du dirigeable Hindenburg dans les années 1930 est le résultat d'un incendie d'hydrogène - donc, si l'hydrogène sort du réservoir, il peut être dangereux. Heureusement, les feux d'hydrogène ne sont pas aussi chauds que les feux d'essence et sont moins susceptibles de déclencher des feux secondaires. Et parce que l'hydrogène monte, la plupart de l'hydrogène qui s'échappe s'éloigne en flottant avant de pouvoir réellement faire du mal.
Et l'hydrogène est-il vraiment non polluant ? Une pile à combustible ne produit que de la chaleur et de l'eau comme gaz d'échappement, mais les processus utilisés pour créer l'hydrogène ne sont pas nécessairement aussi propres. L'électrolyse utilise de l'électricité et cette électricité proviendra souvent de plantes qui brûlent du charbon, une source très polluante. Et lorsque l'hydrogène est extrait du gaz naturel, il produit des émissions de carbone, ce qui est exactement ce que nous essayons d'éviter en utilisant l'hydrogène en premier lieu.
Beaucoup de gens pensent que nous finirons par surmonter ces obstacles, mais cela va être difficile. D'autres pensent que notre meilleure chance de réduire la consommation de carburant et de conduire de manière écologique dans un avenir proche ne réside pas dans l'hydrogène mais dans les véhicules électriques hybrides, comme la Toyota Prius, la Ford Fusion hybride et d'autres voitures hybrides similaires. Il est néanmoins possible que dans les deux prochaines décennies, vous possédiez une voiture à pile à combustible à hydrogène.