En Espagne, où j'habite actuellement, il y a pas mal de véhicules électriques - je les rencontre presque tous les jours, sur les routes comme aux bornes de recharge. Et chaque année, il y a de plus en plus de voitures électriques (pas seulement en Espagne bien sûr). Mais il existe une alternative - les voitures à hydrogène, qui ne polluent pas non plus la nature, car leur échappement est de l'eau. Le sujet de référence d'aujourd'hui est les machines à hydrogène, le principe de leur fonctionnement et leurs perspectives.
Quand les premières voitures à hydrogène sont-elles apparues?
Inventé le moteur à combustion interne à hydrogène, François Isaac de Rivaz en 1806. Il a reçu de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Le moteur à pistons que l'inventeur a créé s'appelle le moteur De Rivaz.
L'allumage était à étincelle, le moteur avait un système bielle-piston. Eh bien, le cylindre était entraîné par la détonation d'un mélange d'hydrogène et d'oxygène avec une étincelle électrique - il devait être généré manuellement au moment où le piston était abaissé. Deux ans plus tard, le même inventeur a construit un appareil automoteur avec un moteur à hydrogène.
Mais l'hydrogène plus ou moins largement utilisé pour le fonctionnement des moteurs automobiles a commencé bien des années plus tard. En 1941, à Leningrad assiégée, les moteurs automobiles GAZ-AA ont été modifiés par l'ingénieur-lieutenant B. I. Shelish. Les moteurs contrôlaient le treuil des ballons de barrage (ils étaient remplis d'hydrogène et il y avait beaucoup de réserves de gaz à Leningrad), mais c'étaient des moteurs d'automobiles. De plus, plusieurs centaines de moteurs de voitures ont été modifiés.
Depuis les années 1980, plusieurs pays, dont les États-Unis, le Japon, l'Allemagne, l'URSS et le Canada, ont commencé la production expérimentale de voitures à hydrogène, de mélanges gaz-hydrogène et de mélanges d'hydrogène avec du gaz naturel.
En 1982, la raffinerie de pétrole de Kvant et l'usine RAF ont
développé le premier minibus à hydrogène expérimental Kvant-RAF au monde avec une centrale électrique combinée basée sur une pile à combustible hydrogène-air de 2 kW et une batterie nickel-zinc de 5 kW *.
Au fil des ans, ces voitures ont été développées dans différents pays, principalement à titre expérimental. Après que le concept de voiture verte est devenu populaire, de grandes sociétés comme Toyota se sont intéressées aux voitures à hydrogène. À partir des années 2000, les constructeurs automobiles ont commencé à développer des concepts pour les véhicules utilitaires.
Où trouver de l'hydrogène?
L'hydrogène peut être obtenu par différentes méthodes:
- conversion à la vapeur du méthane et du gaz naturel;
- gazéification du charbon;
- électrolyse de l'eau;
- pyrolyse;
- biotechnologie.
Le moyen le plus économique de produire de l'hydrogène est désormais considéré comme la conversion à la vapeur. C'est ce qu'on appelle la production d'hydrogène à partir d'hydrocarbures légers (méthane, fraction propane-butane) à l'aide d'un reformage à la vapeur. Le reformage est le processus de conversion catalytique des hydrocarbures en présence de vapeur d'eau. La vapeur d'eau est mélangée avec du méthane à haute température (700–1 000 º) et à haute pression à l'aide d'un catalyseur.
Dans la conversion à la vapeur, il est moins cher de produire de l'hydrogène que d'utiliser toute autre méthode, y compris l'électrolyse.
La méthode la plus inoffensive de production d'hydrogène est l'électrolyse - la production d'hydrogène à partir d'eau à l'aide d'un courant électrique. La pureté du rendement en hydrogène est proche de 100%. Outre la pollution pour l'électricité, ces centrales sont presque respectueuses de l'environnement, car seuls l'hydrogène et l'oxygène sont libérés pendant le fonctionnement.
Un autre moyen écologique de produire de l'hydrogène est un réacteur à biomasse.
SourceL'hydrogène peut être produit à la fois dans une grande usine et dans une entreprise relativement petite. Plus la production est importante, plus le coût du gaz est faible. Mais dans le premier cas, le coût de la livraison d'hydrogène sur les lieux de ravitaillement des voitures augmente.
Comment fonctionne le système de carburant et quelles sont les options?
Il est préférable de considérer le principe de fonctionnement d'un tel système sur l'exemple des voitures à hydrogène série Toyota Mirai. La base est une pile à combustible, un système électrochimique qui convertit les particules d'hydrogène et d'oxygène en eau. À l'intérieur d'un tel élément se trouve une membrane polymère conductrice de protons qui sépare l'anode et la cathode. Ce sont généralement des plaques de carbone avec un catalyseur supporté.
Sur le catalyseur anodique, l'hydrogène moléculaire perd des électrons, les cations passent à travers la membrane vers la cathode et les électrons sont transférés vers le circuit externe. Sur le catalyseur cathodique, les molécules d'oxygène se combinent avec l'électron et le proton pour former de l'eau. La vapeur ou le liquide est le seul produit de réaction.
L'avantage des piles à combustible à base de membranes échangeuses de protons est leur puissance spécifique élevée et leur température de fonctionnement relativement basse. Ils chauffent rapidement et commencent à produire de l'énergie presque immédiatement après le démarrage.
Mirai utilise des piles à combustible avec une puissance spécifique élevée par unité de volume (3,2 kW / l), et leur puissance maximale est de 124 kW. Le courant continu produit par la pile à combustible est converti en courant alternatif avec une augmentation simultanée de la tension à 650 V. L'électricité est fournie à la batterie lithium-ion. Pour le mouvement, la machine consomme l'énergie qui y est stockée.
L'hydrogène dans la pile à combustible Mirai provient de cylindres à haute pression (environ 700 atm). L'unité de commande dans la voiture contrôle le fonctionnement de la pile à combustible et le chargement / déchargement de la batterie.
Selon Toyota, jusqu'à 750 grammes d'hydrogène sont nécessaires pour 100 km de voie Mirai. Les propriétaires de Mirai
parlent d'un kilogramme d'hydrogène aux 100 kilomètres .
Ces voitures sont-elles dangereuses? Pourquoi?
L'hydrogène étant un gaz combustible, il doit être transporté et stocké avec soin. Nous avons besoin d'analyseurs de gaz très sensibles qui peuvent donner un signal en cas de fuite. Certes, l'hydrogène est un gaz très volatil (après tout, c'est l'élément chimique le plus léger) et lorsqu'il pénètre dans l'atmosphère, l'hydrogène monte rapidement.
Ça brûle très vite. Le dirigeable Hindenburg n'a brûlé que pendant 32 secondes. En raison de la fugacité de l'incendie, tous les passagers ne sont pas morts, 62 des 97 personnes qui se trouvaient dans la gondole du dirigeable ont survécu.
Néanmoins, s'il y aura beaucoup de voitures à hydrogène, de nouvelles mesures de sécurité routière seront nécessaires. Les voitures ICE sont également dangereuses - en cas d'accident et de panne du réservoir, de l'essence ou du carburant diesel fuient sur la route et peuvent s'enflammer. Si un réservoir d'hydrogène est percé, le
gaz s'évapore très rapidement . Mais si une source de flamme nue ou d'étincelles est proche, l'hydrogène peut s'enflammer.
Mirai et d'autres voitures à hydrogène utilisent des réservoirs d'hydrogène très durables. Toyota a rendu ses réservoirs à l'épreuve des balles, leurs parois en fibre robuste peuvent résister aux tirs d'armes de gros calibre. Pour les tests, l'entreprise a embauché des tireurs d'élite et seule une balle de calibre .50 a pu pénétrer dans le réservoir après l'avoir doublé au même endroit.
Si vous observez des mesures de sécurité, les voitures à hydrogène ne sont pas plus dangereuses que les voitures à moteur à combustion interne.
Quelle est la durée de vie des piles à combustible?
Jusqu'à présent, ces informations ne concernent que Mirai. Toyota affirme qu'une cellule est garantie pour fonctionner sur 250 000 km. Ensuite, si les performances de la cellule se détériorent, elle peut être remplacée dans un centre de service.
Quelles entreprises produisent déjà ou vont produire des voitures à hydrogène?
Les voitures à hydrogène sont développées par Honda, Toyota, Mercedes-Benz et Hyundai - ces entreprises ont déjà des véhicules prêts à l'emploi. Jusqu'à présent, d'autres ne montrent que des concepts (cependant, des travailleurs) ou simplement des images magnifiquement rendues. Parmi les premiers se trouvent Audi et Ford, et les seconds sont BMW (en toute honnêteté, il faut dire qu'en 2007, BMW a sorti un lot de 100 modèles expérimentaux d'hydrogène qui sont restés une expérience) et Lexus.
Jusqu'à présent, seuls Toyota Mirai et Honda Clarity ont été lancés dans la série. Ils peuvent être achetés aux États-Unis et en Europe.
Combien cela coûte-t-il?
À l'heure actuelle, les voitures à hydrogène sont légèrement plus chères que les voitures conventionnelles en termes de fonctionnement. Ainsi, lors d'un voyage en Europe d'une longueur de 480 km, le coût du carburant pour le propriétaire d'une voiture ordinaire sera d'environ 45 $, mais le propriétaire de Mirai paiera environ 57 $. Et cela malgré le fait que le gouvernement de certains pays subventionne la production d'hydrogène pour les voitures. Le coût de 1 kg d'hydrogène est en moyenne de 11,45 $.
Pourquoi les voitures à hydrogène sont meilleures que les voitures électriques?
En fait, la question n'est pas entièrement correcte. Le fait est qu'une voiture à hydrogène avec une pile à combustible et une voiture électrique «propre» sont des voitures électriques. Dans un cas seulement, la voiture est alimentée en hydrogène, dans le second - en électricité.
Si vous comparez le coût de la plupart des véhicules électriques et de Toyota Mirai, alors ils sont comparables, cela représente plusieurs dizaines de milliers de dollars américains. Le coût de la pile à combustible Hyundai ix35 est d'environ 53 000 $, Toyota Mirai - 57 000 $, Honda Clarity - 59 000 $. Le coût des voitures électriques Tesla commence à 45 000 $ (la configuration de base avec un prix de 35 000 $ n'est toujours disponible qu'en précommande). Les voitures électriques de BMW ont coûté environ 50 000 $.
Les voitures à hydrogène se ravitaillent rapidement - cela ne prend que 3-5 minutes, contrairement aux voitures électriques, où il faut entre une demi-heure et plusieurs heures pour se recharger.
Le principal avantage du transport d'hydrogène est que les piles à combustible durent de nombreuses années et ne nécessitent pratiquement aucun entretien. Si vous prenez une voiture électrique «propre» avec sa batterie énorme, sa durée de vie n'est que de 1 à 1,5 mille cycles, soit 3-5 ans. De plus, la voiture à hydrogène fonctionnera sans problème par temps froid (y compris en remontage), mais la batterie d'un véhicule électrique perdra sa charge.
Quelles sont les perspectives pour les voitures à hydrogène et quand peuvent-elles être vues sur la route?
Les voitures à hydrogène roulent déjà sur les routes d'Europe et des États-Unis (il peut y en avoir des exemplaires isolés dans d'autres régions). Mais il y en a peu - plusieurs milliers, ce qui ne peut pas être qualifié d'introduction de masse.
Le problème qui entrave actuellement la propagation des véhicules à hydrogène est le manque d'infrastructures (il y a quelques années à peine, un problème similaire était pertinent pour les véhicules électriques). Nous avons besoin d'usines spécialisées pour la production d'hydrogène, de systèmes de transport pour l'hydrogène et de ravitaillement.
Stations de remplissage d'hydrogène en 2019 ( source )De plus, l'hydrogène est assez cher, donc si des voitures électriques sont achetées, notamment pour économiser du carburant, alors dans le cas d'une machine à hydrogène, ce n'est pas une option. Avec l'émergence massive d'usines de production d'hydrogène pour les voitures, ainsi que d'infrastructures de services, on peut s'attendre à la sortie d'un nombre beaucoup plus important de véhicules à hydrogène sur la voie publique.
Mais rien ne garantit que cela se produira ou non - ce n'est pas encore clair. Les constructeurs automobiles comme Toyota font activement la promotion de leurs voitures et des avantages de l'hydrogène dans le secteur des transports. Mais la concurrence est trop grande, tant entre les voitures ordinaires à moteur à combustion interne que parmi les véhicules électriques.