Ecologie et energie - Les vehicules hybrides

L'HYDROGENE, L'ENERGIE DU FUTUR Grâce à son avantage écologique (et géopolitique), l'hydrogène est en passe de devenir l'énergie de demain. Cette énergie peut être extraite de l'eau et sa combustion ne génère que de l'eau ; le cycle parfait… en théorie. Est­ce réellement le cas en pratique et comment peut­elle être utilisée ? L'hydrogène, des noms grecs "hydro" et "gennoa", signifiant "eau" et "générer", a été découvert par Henry Cavendish en 1766. L'hydrogène est le corps le plus répandu sur la Terre mais souvent combiné à d'autres éléments comme l'eau, les substances organiques ou le pétrole. Sa constitution chimique est H2, il peut donc être facilement extrait de l'eau, H2O, et se retransformer en eau après combustion. C'est l'avantage majeur de l'hydrogène, donnant un cycle énergétique complet et sans pollution. La plupart des constructeurs, pétroliers et équipementiers travaillent sur plusieurs axes de développement. Le premier est rapidement applicable, les deux autres plus prometteurs pour le long terme : ­ Le moteur thermique à hydrogène (page 2), ­ La pile à combustible embarquée (page 5), ­ Le reformage embarqué (page 9). Le moteur thermique à hydrogène 1/3 L'idée est d'utiliser le véhicule actuel et d'adapter son moteur essence à l'hydrogène. Cette adaptation demande un réglage qui ne pose pas de problème aux ingénieurs. Par contre, le stockage et le remplissage du réservoir reste une difficulté majeure à résoudre. La solution au premier problème est le stockage de l'hydrogène à l'état liquide à ­253 °C dans un réservoir cryogénique (très basse température) en acier inoxydable à double parois. Le vide est fait entre les deux parois pour assurer une bonne étanchéité thermique. Réservoir à hydrogène ­ Toyota BMW teste depuis de longues années cette solution sur plusieurs modèles équipés d'un réservoir de 140 litres dans le fond du coffre, ce qui correspond à une quantité équivalente d'énergie de 40 litres d'essence.  BMW 750 HL Ce réservoir résiste à des flammes de presque 1 000 °C pendant près de 70 minutes. Comme pour un réservoir de GPL, il est équipé d'une soupape de surpression qui libère l'hydrogène pour éviter une explosion en cas d'une éventuelle montée en pression (surchauffe, accident,…). r d'hydrogène ­ BMW 750 HL Réservoi Un autre procédé de stockage, dans une structure poreuse du carbone, est en expérimentation. Le moteur thermique à hydrogène 2/3 Le deuxième problème, le remplissage du réservoir, semble plus difficile à résoudre. Le stockage de l'hydrogène, à une température de ­253°C, requiert une technologie très particulière. Remplissage du prototype Mercedes Necar 4 BMW écarte pour le moment toute manipulation de l'utilisateur. Des stations de remplissage automatique sont actuellement en test sur l'aéroport de Munich et au Canada. Le moteur thermique à hydrogène 3/3 Dans les stations prototypes de BMW, le remplissage est assuré par un bras robotisé. L'hydrogène est transféré sous forme liquide. L'opération ne demande pas plus de 3 minutes, soit pas plus de temps qu'un plein d'essence. Par contre, ce type de station est forcément coûteux. Il reste aussi à analyser la réaction des automobilistes face à cette débauche de sécurité. Les émissions de gaz polluants sont quasiment inexistants. Par contre, l'utilisation d'un moteur thermique donne un rendement proche de celui du moteur à essence, soit assez faible (environ 30% dans le meilleur des cas et 13% sur un cycle d'utilisation ville­route­autoroute). Il est à noter que la densité énergétique de l'hydrogène comprimé est légèrement inférieure à celle de l'essence. La puissance délivrée est donc légèrement plus faible. Nouvelle BMW 745 h La pile à combustible 1/4 La pile à combustible fabrique le courant électrique à partir de l'hydrogène. Elle a été inventée par l'Anglais Sir William Robert Grove en 1839, soit 40 ans avant celle du moteur à 4 temps. Elle fut utilisée pour la propulsion des sous­marins et l'alimentation en électricité de la capsule Apollo. Le procédé est l'opération inverse de celle de l'électrolyse de l'eau : ­ L'anode traversée par l'hydrogène et la cathode traversée par l'oxygène sont séparées par une membrane polymère faisant électrolyte. ­ L'anode se charge d'électrons(­) et la cathode de protons (+). Pile à combustible Mazda La transformation de l'hydrogène en énergie électrique est totalement exempte de polluants. La pile à combustible 2/4 Sur le véhicule "Hydrogen" d'Opel, la différence de potentiel génère une tension de 0,7 volts. 200 éléments sont montés en série. Le total donne une tension de 125 à 200 volts suivant la demande et une puissance de 120 kW (163 ch.). A la sortie de la pile, les ions d'hydrogène et d'oxygène se lient pour former de l'eau. Pile à combustible Mazda La pile à combustible 3/4 Différentes solutions techniques de piles à combustible existent : La pile PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) utilise une membrane en polymère recouverte de platine de quelques dixièmes de millimètres. Elle délivre une forte intensité et fait preuve d'un très bon rendement. Comme elle ne fonctionne qu'à 80°C, son procédé est appelé " combustion froide ". C'est la technologie retenue pour l'automobile. La pile AFC (Alkaline Fuel Cell) utilise un électrolyte d'hydrure de potasse. Elle est aussi à " combustion froide ". Cette pile a un meilleur rendement que la pile PEMFC mais exige de l'hydrogène et de l'oxygène purs. C'est pour cela qu'elle n'est utilisée que pour des applications militaires et spatiales. La pile PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) fonctionne entre 160 et 220°C et exige de l'hydrogène pur. Elle alimente des stations isolées. Les piles MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) et SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) fonctionne à l'essence et au gaz naturel. Leurs températures trop élevées de fonctionnement, respectivement 600 et 900°C, limitent leur utilisation pour l'automobile. La pile à combustible 4/4 Opel Hydrogen 1 Mercedes a confirmé qu'il commercialisera un bus fonctionnant avec une pile à combustible dès 2002 et une voiture pour 2004. Mercedes sera ainsi le premier constructeur à commercialiser cette technologie. Prototype Necar 4 Pour atteindre cet objectif, le groupe Mercedes­Chrysler investit plus de 1,4 milliards de dollars sur la période 2001­2004. Les deux points restant aujourd'hui à développer sont la distribution de l'hydrogène et/ou la mise au point du reformeur. Le reformage embarqué 1/2 La distribution de l'hydrogène restant un problème majeur, une des solutions est de le fabriquer à bord grâce à un reformeur. Le reformage a le grand avantage de pouvoir utiliser le réseau actuel de la distribution de l'essence et d'éviter un remplissage "problématique" de l'hydrogène dans un réservoir. Le reformage consiste à libérer l'hydrogène du carburant. Les molécules d'essence (C2H6) sont séparées pour donner des molécules d'hydrogène (H) et de carbone (C). Combiné reformeur et pile à combustible ­ BMW 1 ­ Injection d'essence, 6 ­ Energie électrique, 2 ­ Reformeur à essence, 7 ­ Aeration, 3 ­ Isolation thermique, 8 ­ Pile à combustible SOFC, 4 ­ Réaction chimique et échappement, 9 ­ Régulation de l'air du reformeur. 5 ­ Régulation de l'air de la pile à combustible, Le reformage embarqué 2/2 Par contre, comme l'hydrogène est extrait de l'essence et non de l'eau, l'opération génère du CO2. Mais le taux de CO2 est beaucoup plus faible que celui émis par les meilleurs véhicules actuels. Reformeur Toyota Le gaz naturel peut être utilisé. Par contre, le procédé de reformage est plus compliqué et son transport est plus coûteux. Le méthanol peut aussi être utilisé. Il se heurtera, par contre, à des ...