I.2 Comment utiliser le dihydrogène pour mouvoir une voiture ? Avec quels impacts environnementaux ?

Il existe deux principales solutions actuellement envisagées par différents constructeurs automobiles: La première fait usage d'une pile à combustible embarquée à l'intérieur du véhicule, la deuxième consiste à injecter le dihydrogène directement et à le brûler dans un moteur thermique. Ainsi ces deux possibilités sont très opposées. Dans le premier cas le moteur est électrique, dans l'autre il est thermique.

Pile à combustible, alimentant un moteur électrique

Le principe de la pile à combustible est découvert au milieu du XIXè par un avocat anglais, Sir William Grove. La pile à combustible permet de récupérer de l'énergie sous forme d'électricité à partir d'une source de dihydrogène et d'une source de dioxygène. Il existe différents types de piles à combustible. La plus utilisée dans l'automobile à hydrogène est celle de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Le principe est l’inverse de celui de l’électrolyse de l’eau : pendant une électrolyse c’est la tension entre les deux électrodes qui permet de séparer H2 et O2 alors que dans une pile à combustible on fait intervenir les deux molécules qui réagissent et produisent ainsi un courant électrique.

Plus en détail

Mettre seulement en présence le dioxygène et le dihydrogène provoquerait une combustion ou plutôt explosion. Ce qui permet de déclencher la réaction d’oxydoréduction et donc le bon fonctionnement de la pile est le catalyseur. Le plus souvent une fine couche de platine fait office de catalyseur et elle est placée sur les électrodes, ce qui permet aux molécules de dihydrogène de se dissocier en H+ et e-.

La pile à hydrogène est assez semblable à une pile ordinaire. Elle possède une cathode et une anode séparées par une électrolyte( souvent une membrane de polymère) qui a pour rôle de permettre le passage des ions mais pas celui des électrons.




COPYRIGHT http://www.techno-science.net/?onglet=articles&article=4&page=3



Le dihydrogène est introduit du côté du pôle négatif, l’anode. Comme dans toute réaction d’oxydoréduction, on a un transfert d’électrons, d’où le couple H+ / H2. H2 → 2H+ + 2 e- Les ions H+ migrent dans l’électrolyte, qui assure leur passage tandis que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe qui alimente le moteur en électricité. Le dihydrogène fournit les électrons (2 par molécule de H2), il est appelé réducteur car il fournit les électrons. Le H2 s’oxyde donc.

Du côté de la cathode, pôle positif, le dioxygène introduit réagit avec les ions H+ qui ont traversé l’électrolyte et les électrons provenant du circuit électrique. La réaction obtenue est ½O2 + 2H+ + 2 e- → H2O Le dioxygène capte les électrons; c’est donc l’oxydant. Il réduit.
Au final on peut écrire que H2 + 1/2O2 → H2O + chaleur

La pile à combustible fonctionne tant qu’elle est alimentée. Le dioxygène se trouvant de manière perpétuelle dans l’air, c’est le ravitaillement en H2 qui pose problème, d’autant qu’il faut pouvoir le stocker.

Impact environnemental


Le fonctionnement de la pile à combustible (alimentée en dihydrogène et dioxygène) ne rejette ainsi aucun gaz toxique ni aucun gaz à effet de serre. Mis part l’électricité produite, seulement de la vapeur d’eau est émise. La seule ombre à ce tableau écologique est celle de la production de dihydrogène, qui doit absolument se faire sans aucuns rejets ou en limitant les dégagements de CO2 et gaz toxiques.

Rendement

En théorie le rendement d'une pile à combustible est très élevé(83%), quand le rendement d'un moteur diesel est de 40% environ et celui d'un moteur à essence de l'ordre de 30%. Ce chiffre (83%) est la valeur optimale atteinte pour des conditions particulières, peu énergivores. Il en est de même pour un moteur thermique. Mais prenant en compte toutes les conditions d'utilisations possibles, le rendement chute(pour atteindre environ 50%). En effet, plus on demande à la pile à combustible moins son rendement est bon.
De plus, la pile est aussi très sensible à tout excès de température. Si la membrane vient à surchauffer, c'est toute la pile qui est détruite. Le système de refroidissement fonctionne mieux quand la différence de température est élevée alors que la pile à combustible fonctionne mieux à basse température. Il faut prévoir en conséquence un système de refroidissement surdimensionné et complexe.

Le dihydrogène dans un moteur thermique

Ce type de moteur est très semblable à un moteur à essence actuel. Souvent, ces moteurs sont bivalents, donc pouvant être alimentés soit en sans plomb soit en dihydrogène. Cette technologie permet de partir d'une base technologique éprouvée donc plus fiable et le conducteur a la possibilité de choisir quel carburant il veut utiliser, ce qui peut dans un premier temps se révéler très utile (en attendant le développement des infrastructures nécessaires pour le H2).

Adapter le moteur à essence au moteur à dihydrogène



image:erh2-bretagne.over-blog.com

Le moteur considéré est conçu pour fonctionner au dihydrogène ce qui implique que les composants du moteur doivent résister à des écarts de température pouvant aller de -250° C à 80° C. En effet, le dihydrogène est stocké sous forme liquide à -250 ° dans un réservoir spécialisé. De plus, les matériaux choisis pour le moteur doivent résister à l’hydrogène (risques de corrosion fissurantes) et à l’eau.

Le dihydrogène est injecté directement dans la chambre de combustion, comme c'est le cas aujourd'hui pour la quasi-totalité des moteurs diesel et pour un nombre croissant de moteurs à essence. Mais cette injection doit se faire sous forme gazeuse en non liquide ce qui implique des injecteurs spéciaux.

L’hydrogène étant plus susceptible de s’auto-allumer que l’essence, les électrodes des bougies doivent être fabriquées en iridium au lieu d’être en platine car le platine pourrait agir comme un catalyseur d’auto-allumage. Le problème de l’auto-allumage peut également être résolu avec l’emploi d’un moteur à pistons rotatifs, comme l’a fait Mazda par exemple. En effet dans un moteur à pistons rotatifs, le carburant est introduit dans une chambre de combustion moins élevée en température, ce qui réduit les risques d’auto-allumage.


Enfin, la combustion est 6 fois plus rapide que la combustion du dioxygène, ce qui nécessite un réglage très précis du moteur.

Impact sur l’environnement


D’après l’association française de l’hydrogène (AFH2), un moteur thermique à H2 type de 4.9 litres de cylindrée pour 80kW à 2200 trs/minute rejetterait:
1,4 g par heure d’oxydes de carbone (huiles de lubrification)
5,3 g/heure d’oxydes d’azote

Ainsi l'impact sur l'environnement apparaît très réduit mais il faut rajouter les émissions dues à la production de dihydrogène.

Sources

 
i_-_environnement/2_-_les_differents_types_de_moteurs.txt · Dernière modification: 2011/12/15 21:02 (édition externe)
 
Ce TPE à été réalisé par Frank Villaro-Dixon, Gabrielle Chevrot ainsi que François De Lavernette pendant l'année 2009-2010. Il est sous license CC BY-NC-SA.


Recent changes RSS feed Powered by PHP Powered by Debian Driven by DokuWiki