Comment fonctionne un moteur à hydrogène ?

Les moteurs à hydrogène continuent d'être l'un des futurs paris de l'industrie automobile. Son fonctionnement lui a conféré une série d'avantages, le maintenant à flot malgré ses échecs. À cette fin, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford et d'autres marques ont investi massivement dans cette technologie. Les moteurs à hydrogène comprennent les moteurs à combustion interne et les moteurs à pile à combustible. Beaucoup de gens ne savent pas comment fonctionne un moteur à hydrogène et leurs avantages et inconvénients respectifs.

Pour cette raison, nous allons dédier cet article à vous expliquer pas à pas comment fonctionne un moteur à hydrogène, quelles sont ses caractéristiques et son importance pour le monde automobile.

Comment fonctionne un moteur thermique à hydrogène ?

Ces moteurs utilisent l'hydrogène comme essence. C'est-à-dire qu'ils le brûlent dans une chambre de combustion pour créer une explosion (énergie cinétique et chaleur). Pour cette raison, les moteurs à essence conventionnels peuvent être adaptés pour brûler de l'hydrogène en plus du GPL ou du GNC.

Le fonctionnement de ce moteur est très similaire à celui d'un moteur à essence. L'hydrogène est utilisé comme carburant et l'oxygène comme oxydant. La réaction chimique est initiée par une étincelle et une bougie peut produire une étincelle. L'hydrogène n'a pas d'atomes de carbone, la réaction est donc que deux molécules d'hydrogène se combinent avec une molécule d'oxygène, libérant de l'énergie et de l'eau.

Le résultat de sa réaction chimique est simplement de la vapeur d'eau. Cependant, les moteurs à combustion à hydrogène génèrent certaines émissions lors de leur fonctionnement. Par exemple, de petites quantités de NOx provenant de l'air et de la chaleur de la chambre de combustion, ou des émissions provenant de la combustion d'huile à travers les segments de piston.

L'hydrogène étant un gaz, il est stocké dans un réservoir à une pression de 700 bars. C'est 350 à 280 fois plus élevé que la pression normale des pneus de voiture. (2 à 2,5 bars). Bien qu'il existe également des voitures qui stockent l'hydrogène sous forme liquide à très basse température, comme indiqué ci-dessous.

Les moteurs à combustion à hydrogène offrent des avantages intéressants par rapport aux moteurs à combustion conventionnels. Par exemple, ils peuvent théoriquement utiliser des mélanges très fins (Lambda proche de 2). Autrement dit, ils peuvent utiliser très peu de carburant pour utiliser tout l'air entrant et devenir très efficaces.

Exemple de fonctionnement d'un moteur à combustion à hydrogène

Un bon exemple de moteur à hydrogène est la BMW 750hl, qui est arrivée sur le marché en 2000. Bien qu'il s'agisse en fait d'un moteur à essence BMW, il est également capable de brûler de l'hydrogène.

Cependant, il présente plusieurs inconvénients : Premièrement, il stocke l'hydrogène sous forme liquide. Cela nécessite un réservoir très coûteux fabriqué à partir de matériaux issus de la secteur aérospatial pour maintenir sa température en dessous de -250ºC. Cela ne peut être réalisé qu'en 12 à 14 jours, période pendant laquelle l'hydrogène s'évapore progressivement et est libéré en toute sécurité dans l'atmosphère. Le deuxième inconvénient est qu'en utilisant de l'hydrogène, vous perdez beaucoup de puissance et d'efficacité. La dernière BMW Hydrogen 7 de 2005 a partiellement résolu ces problèmes et a augmenté la pression d'hydrogène à 700 bars sans la maintenir au froid.

Un autre bon exemple est le moteur à hydrogène Aquarius. Un moteur à combustible fossile développé par une société israélienne adapté à l'utilisation de l'hydrogène. La première version fonctionnelle a été introduite en 2014 et depuis lors, une version révisée et améliorée est apparue. Selon ses développeurs, il peut fonctionner sans huile de graissage et a un système d'échange de gaz pour réduire les émissions de NOx.

De plus, le moteur à combustion interne à hydrogène est léger et comporte peu de pièces, ce qui le rend bon marché à produire. Il peut être utilisé comme prolongateur d'autonomie pour les véhicules électriques ou comme générateur pour le réseau.

Comment fonctionne un moteur à pile à hydrogène ?

Son nom complet est un moteur à hydrogène converti en pile à combustible. Malgré le mot "carburant", ils ne brûlent pas d'hydrogène. Ils l'utilisent pour générer de l'électricité par le processus inverse de l'électrolyse. C'est pourquoi ils portent des batteries pour des réactions chimiques, comme dans un moteur à combustion à hydrogène, où l'hydrogène est stocké dans des réservoirs à une pression de 700 bar.

C'est juste qu'au lieu de l'alimenter au moteur, il passe par l'anode et la cathode (comme une batterie) jusqu'à la pile à combustible. Une fois là, l'hydrogène gazeux (H2) traverse la membrane et la décompose en deux ions hydrogène. Hydrogène et deux électrons libres. Ces électrons passent de l'anode à la cathode de la batterie à travers un circuit externe, créant un courant électrique. Les ions hydrogène produits se combinent avec l'oxygène de l'air pour former de l'eau.

Pour cette raison, un moteur à pile à combustible à hydrogène est à zéro émission, car il ne produit pas de NOx ni les gaz qui sont produits lors de la combustion d'huile comme un moteur à combustion interne. Les diaphragmes utilisés dans ces moteurs sont en platine et sont coûteux. Cependant, il y a du travail pour faire face à ce coût élevé. Par exemple, à l'Université technique de Berlin, ils ont développé un ferroalliage qui, s'il était mis en production, pourrait réduire considérablement les coûts.

Inconvénients des moteurs à hydrogène

• Catalyseurs utilisés dans les réactions chimiques des moteurs à pile à combustible à hydrogène sont fabriqués à partir de matériaux coûteux, comme le platine. Au moins jusqu'à ce qu'il soit remplacé par une alternative moins chère, comme celle mentionnée dans TU Berlin.
• Pour obtenir de l'hydrogène, il faut le faire par des procédés thermochimiques d'énergies fossiles ou par électrolyse de l'eau, ce qui nécessite une consommation d'énergie. Le principal reproche fait aux moteurs à hydrogène, c'est que l'électricité peut être stockée directement dans la batterie d'un véhicule électrique pour l'usage.
• Une fois l'hydrogène obtenu, doit être introduit dans une cellule ou un réservoir sous pression. Ce processus nécessite également une dépense énergétique supplémentaire.
• Les batteries à hydrogène sont coûteuses à produire et doivent être très durables pour résister aux hautes pressions avec lesquelles l'hydrogène doit être stocké.

Avantages des moteurs à hydrogène

• Les batteries à hydrogène sont plus légères que les batteries de véhicules électriques. C'est pourquoi son utilisation dans le transport lourd est à l'étude comme alternative aux camions électriques à batterie. Pour pouvoir couvrir de grandes distances, ils sont très lourds.
• Aujourd'hui, charger de l'hydrogène est plus rapide que charger une batterie de voiture électrique.
• Contrairement aux véhicules électriques à batterie, les véhicules à pile à combustible à hydrogène ne nécessitent pas de grosses batteries. Par conséquent, il nécessite moins de lithium ou d'autres matériaux qui peuvent être rares. Les moteurs à combustion interne à hydrogène ne nécessitent pas directement des batteries au lithium ou d'autres batteries similaires.
• Les piles à combustible peuvent prolonger la durée de vie d'une voiture. Contrairement aux batteries, qui coûtent cher à remplacer en raison de leur taille et de leur capacité. Les batteries associées aux moteurs à hydrogène sont plus petites et donc moins chères à remplacer.
• Par rapport aux moteurs à combustible fossile, les moteurs à pile à combustible à hydrogène utilisent des moteurs électriques et sont donc très silencieux.

Autonomie

L'inconvénient des moteurs à hydrogène est que leurs réservoirs ou piles à combustible doivent contenir de l'hydrogène à des pressions très élevées. Pour lui, le point d'alimentation doit également respecter la pression de 700 bars qu'il supporte.

Cela nécessite de construire une infrastructure d'approvisionnement pour pouvoir ravitailler ce type de véhicule. Cela dit, il a les mêmes problèmes que les véhicules électriques purs. Cependant, l'opération de ravitaillement est beaucoup plus rapide que celles-ci, car c'est la même chose qu'un véhicule GPL ou GLC.

Les voitures actuellement équipées de moteurs à pile à combustible à hydrogène ont une autonomie similaire à celle de l'essence. Par exemple, la Toyota Mirai annonce 650 km avec une batterie pleine, la Hyundai Nexo 756 km et la BMW iX5 Hydrogen 700 km.

D'autres comme le Hopium Machina ont annoncé une autonomie de 1.000 XNUMX km, même si ce chiffre devra maintenant être confirmé le moment venu. Dans tous les cas, l'autonomie n'est pas aussi importante que la batterie, car le ravitaillement est beaucoup plus rapide. La chose à garder à l'esprit est le nombre de points de carburant.

Ils sont en sécurité?

Les marques travaillent depuis des années sur ce type de moteur pour améliorer leur efficacité, réduire les coûts et, bien sûr, les rendre aussi sûrs que ceux qui fonctionnent aux carburants fossiles.

De plus, les normes de sécurité exigées par l'Europe, les États-Unis et le Japon sont la garantie de la sécurité des véhicules à hydrogène. Inutile de dire que Toyota vante le réservoir d'essence du Mirai est suffisamment robuste pour être à l'épreuve des balles.

Verrons-nous un jour où toutes les voitures rouleront à l'hydrogène ? Le temps montrera tout. Force est de constater que les marques continuent d'investir et il présente certains atouts qui en font une alternative raisonnable au transport zéro émission.

J'espère qu'avec ces informations, vous pourrez en savoir plus sur le fonctionnement d'un moteur à hydrogène, ses caractéristiques, ses avantages et ses inconvénients.