Voiture à hydrogène. Est-il temps de dire au revoir à l'essence?

Bonjour, Habr! À notre dernier article sur l'énergie hydrogène, vous avez écrit des commentaires très intéressants et justes, les réponses auxquelles vous pouvez trouver dans ce matériel consacré à l'utilisation de l'hydrogène dans les automobiles.

En effet, par rapport à l'essence, l'hydrogène est un problème permanent: il est très difficile à stocker et difficile à obtenir, il est explosif, et les voitures à hydrogène sont beaucoup plus chères que celles à essence. Mais en même temps, l'hydrogène est considéré comme le carburant alternatif le plus prometteur pour le transport. De plus, les investisseurs sont prêts à dépenser plusieurs milliards d'investissements pour la production de voitures à hydrogène.

La peine pour l'essence a déjà été signée

Selon le dernier rapport de la BP Statistical Review of World Energy 2018 , les réserves mondiales prouvées de pétrole s'élèvent à 1,696 milliards de barils, qui, tout en maintenant le niveau actuel de consommation, dureront cinquante ans. Les réserves de pétrole inexplorées nous donneront vraisemblablement encore un demi-siècle d'énergie hydrocarbonée, mais le coût de sa production peut être tel que le pétrole devient tout simplement non rentable par rapport à d'autres sources d'énergie. Lorsque les gisements avec une production pratique sont épuisés, le prix des matières premières augmente automatiquement: si maintenant le coût de production d'un baril en Russie est estimé par certains à 2-3 dollars (selon des estimations alternatives, 18 dollars ), alors pour le pétrole de schiste, il est déjà de 30 à 50 dollars. Et devant l'humanité, il existe une réelle perspective de passer à la production de pétrole offshore et arctique, dont le prix sera encore plus élevé.

La montée de l'intérêt pour le transport électrique dans les années 70 du XXe siècle est précisément survenue dans le contexte d'une augmentation spasmodique des prix du pétrole en raison de la crise politique - les matières premières ne manquaient pas, mais une multiplication par quatre des prix a instantanément fait des voitures à essence et de l'énergie pétrolière un luxe.

Et des obstacles plus controversés ont fait obstacle aux voitures à essence - prendre soin de l'environnement dans les villes et les pays où l'échappement des voitures est devenu un problème. Pour cette raison, par exemple, l'Allemagne a adopté une résolution interdisant la production de voitures à moteur à combustion interne depuis 2030. La France et le Royaume-Uni promettent d'abandonner les hydrocarbures d'ici 2040. Pays-Bas - jusqu'en 2030. Norvège - jusqu'en 2025. Même l'Inde et la Chine prévoient d'interdire la vente de voitures diesel et essence depuis 2030. Paris, Madrid, Athènes et le Mexique interdiront l'utilisation des voitures diesel depuis 2025.

Combustion d'hydrogène dans ICE

La combustion de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne conventionnel semble être le moyen le plus simple et le plus logique d'utiliser le gaz, car l'hydrogène s'enflamme facilement et brûle sans laisser de trace. Cependant, en raison de la différence des propriétés de l'essence et de l'hydrogène, il n'était pas si facile de transférer l'ICE vers un nouveau type de carburant. Des difficultés sont apparues avec le fonctionnement à long terme des moteurs: l'hydrogène a provoqué une surchauffe des soupapes, du groupe de pistons et de l'huile, en raison de la chaleur de combustion trois fois plus élevée que celle de l'essence (141 MJ / kg contre 44 MJ / kg). L'hydrogène a bien fonctionné à bas régime, mais une détonation s'est produite avec l'augmentation de la charge. Une solution possible au problème était le remplacement de l'hydrogène par un mélange essence-hydrogène, dont la concentration en gaz diminuait dynamiquement avec l'augmentation du régime moteur.


Le bicarburant BMW Hydrogen 7 dans le corps E65 brûle de l'hydrogène dans ICE au lieu de l'essence
Source: Sachi Gahan / Flickr

L'une des rares voitures de série où l'hydrogène a été brûlé dans un moteur à combustion interne comme les autres carburants était BMW Hydrogen 7, qui n'est sortie qu'en 100 exemplaires en 2006-2008. Le ICE V12 de six litres modifié fonctionnait à l'essence ou à l'hydrogène, la commutation entre les carburants était automatique.

Malgré la solution réussie au problème de la surchauffe des vannes, ce projet y a quand même mis fin. Premièrement, lors de la combustion d'hydrogène, la puissance du moteur a chuté d'environ 20%, passant de 260 litres. s essence jusqu'à 228 litres s Deuxièmement, 8 kg d'hydrogène suffisaient pour seulement 200 km de course, soit plusieurs fois moins que dans le cas des éléments diesel. Troisièmement, Hydrogen 7 est apparu trop tôt - alors que les voitures «vertes» n'étaient pas encore aussi pertinentes. Quatrièmement, il y avait des rumeurs persistantes selon lesquelles l'Agence américaine de protection de l'environnement ne permettait pas d'appeler Hydrogen 7 une voiture sans échappement nocif - en raison des caractéristiques spécifiques du moteur à combustion interne, des particules d'huile moteur sont tombées dans la chambre de combustion et y ont été enflammées avec de l'hydrogène.

Mazda RX-8 Hydrogen RE est le cas où l'hydrogène a ruiné toute la dynamique d'un moteur rotatif. Source: Mazda

Plus tôt, en 2003, la Mazda RX-8 Hydrogen RE bicarburant a été introduite, atteignant les clients uniquement d'ici 2007. Lors du passage à l'hydrogène de la puissance du légendaire RX-8 rotatif, il n'y avait plus de trace - la puissance est passée de 206 à 107 litres. sec., et la vitesse maximale peut atteindre 170 km / h.

BMW Hydrogen 7 et Mazda RX-8 Hydrogen RE étaient le chant du cygne des ICE à hydrogène: au moment où ces voitures sont arrivées, il était devenu clair qu'il était beaucoup plus efficace d'utiliser l'hydrogène dans des piles à combustible connues depuis longtemps que de simplement brûler.

Piles à combustible dans les voitures

La première expérience réussie pour créer un véhicule à pile à combustible à hydrogène est le tracteur Harry Karl, construit en 1959. Certes, le remplacement du moteur diesel par une pile à combustible a réduit la puissance du tracteur à 20 litres. s

Au cours du dernier demi-siècle, le transport de l'hydrogène a été produit en morceaux. Par exemple, en 2001, le bus Generation II est apparu aux États-Unis, pour lequel l'hydrogène était produit à partir de méthanol. Les piles à combustible ont produit jusqu'à 100 kW, soit environ 136 litres. s La même année, le russe VAZ introduit le Niva sur les éléments hydrogène, connu sous le nom d' Antel-1 . Le moteur électrique a produit jusqu'à 25 kW (34 ch), a accéléré la voiture à un maximum de 85 km / h et a parcouru 200 km dans une station-service. La seule voiture produite était le «laboratoire sur roues».


Une voiture russe à pile à combustible à hydrogène - à l'époque, la technologie allait au-delà de la conception. Source: AvtoVAZ

En 2013, Toyota a secoué le monde automobile avec l'introduction du modèle de pile à combustible à hydrogène Mirai. Le caractère unique de la situation était que Toyota Mirai n'était pas un concept-car, mais une voiture prête pour la production de masse, dont les ventes ont commencé un an plus tard. Contrairement aux véhicules électriques à batterie, Mirai a lui-même produit de l'électricité pour lui-même.


Toyota Mirai. Source: Toyota

Le moteur électrique à traction avant Mirai a une puissance maximale de 154 litres. avec ça un peu pour une voiture électrique moderne, mais pas mal par rapport aux voitures à hydrogène du passé. La portée théorique de 5 kg d'hydrogène est de 500 km, la réalité - environ 350 km. Tesla Model S selon le passeport peut couvrir 540 km. Il ne faut que 3 minutes pour faire le plein d'un réservoir d'hydrogène complet, et une batterie Tesla se charge jusqu'à 100% en 75 minutes dans les stations Tesla Supercharger et jusqu'à 30 heures à partir d'une prise de courant 220 V.

Le courant continu des 370 piles à hydrogène de Mirai est converti en courant alternatif, et la tension monte à 650 V.La vitesse maximale de la voiture atteint 175 km / h - un peu en comparaison avec le carburant d'hydrocarbure, mais plus que suffisant pour la conduite quotidienne. Pour le stockage d'énergie, une batterie au nickel-hydrure métallique de 21 kWh est utilisée, à laquelle les piles à combustible en excès et l'énergie de freinage régénérative sont transmises. Compte tenu des réalités japonaises dans lesquelles les colonies peuvent être affectées à tout moment par un tremblement de terre, le coffre Mirai de l'année modèle 2016 dispose d'un connecteur CHAdeMO, à travers lequel vous pouvez organiser l'alimentation électrique d'une petite maison privée, ce qui fait de la voiture un générateur sur roues d'une capacité maximale de 150 kWh .

Soit dit en passant, en quelques années, Toyota a réussi à réduire considérablement la masse du générateur: si au début du siècle, dans les prototypes, il pesait 108 kg et produisait 122 litres. sec., puis à Mirai la pile à combustible est deux fois plus compacte (37 litres) et pèse 56 kg. Il sera juste d'ajouter à cela 87 kg de réservoirs de carburant.

A titre de comparaison, le populaire moteur turbo Volkswagen 1.4 TSI moderne est similaire au Mirai avec une puissance de 140 à 160 ch. Il est célèbre pour sa «légèreté» en raison de sa construction en aluminium - il pèse 106 kg plus 38 à 45 kg d'essence dans le réservoir. Au fait, la batterie de la Tesla Model S pèse 540 kg!

Pour 4 km de course, Mirai ne produit que 240 ml d'eau distillée, relativement sûre à boire - les amateurs qui ont essayé «l'échappement» de Mirai, n'ont rapporté qu'un léger goût de plastique.

L'eau potable drainée de Mirai est sûre, bien qu'au début la vue soit choquante

La Toyota Mirai a installé deux réservoirs d'hydrogène de 60 et 62 litres, contenant au total 5 kg d'hydrogène sous une pression de 700 atmosphères. Toyota développe et produit ses propres réservoirs d'hydrogène depuis 18 ans maintenant. Le réservoir Mirai est composé de plusieurs couches de plastique avec fibre de carbone et fibre de verre. L'utilisation de ces matériaux, d'une part, a augmenté la résistance des stockages à la déformation et à la pénétration, et, d'autre part, a résolu le problème de la récupération d'hydrogène métallique, en raison duquel les réservoirs en acier ont perdu leurs propriétés, leur flexibilité et ont été recouverts de microfissures.

Construisez Toyota Mirai. Un moteur électrique est situé à l'avant, la pile à combustible est cachée sous le siège conducteur, et des réservoirs et une batterie sont installés sous la rangée arrière et dans le coffre. Source: Toyota

Quelles sont les perspectives?

Selon Bloomberg , d'ici 2040, les voitures consommeront 1 900 térawattheures au lieu de 13 millions de barils par jour, soit 8% de la demande d'électricité à partir de 2015. 8% n'est rien, sachant que maintenant jusqu'à 70% du pétrole mondial est consacré à la production de carburant pour le transport.

Les perspectives du marché des véhicules électriques à batterie sont beaucoup plus prononcées et impressionnantes que dans le cas des piles à combustible à hydrogène. En 2017, le marché des voitures électriques s'élevait à 17,4 milliards de dollars, tandis que le marché de l'hydrogène automobile était évalué à 2 milliards de dollars. Malgré cette différence, les investisseurs continuent de s'intéresser à l'hydrogène énergie et de financer de nouveaux développements.

Un exemple en est le Hydrogen Council, créé en 2017, qui comprend 39 grandes entreprises telles que Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Son objectif est la recherche et le développement de nouvelles technologies de l'hydrogène et leur mise en œuvre ultérieure dans nos vies.