L’hydrogène est peut-être le vecteur énergétique dominant dans un système d’énergie entièrement renouvelable, un moteur à hydrogène est nécessaire pour générer un travail utile avec. Le développement des moteurs à hydrogène englobe deux types principaux : les piles à combustible à hydrogène et les moteurs à combustion interne à hydrogène (ICE). Les deux approches visent à exploiter le potentiel d’énergie propre de l’hydrogène, mais elles fonctionnent sur des principes et des technologies fondamentalement différents. Les deux partagent la propriété commune qu’ils fonctionnent avec un carburant renouvelable et produisent des émissions respectueuses de l’environnement.
Moteur à pile à combustible à hydrogène #
Les piles à combustible à hydrogène convertissent l’hydrogène gazeux en électricité par un processus électrochimique. Cette technologie est à l’avant-garde du transport à hydrogène en raison de son rendement élevé. Le type de pile à combustible le plus utilisé est celui des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), par exemple, fabriquées par Hyundai Motor Company. Ils utilisent un électrolyte polymère solide. L’hydrogène gazeux est divisé en protons et électrons à l’anode. Les protons traversent la membrane jusqu’à la cathode, tandis que les électrons voyagent dans un circuit externe, générant de l’électricité. À la cathode, les protons, les électrons et l’oxygène se combinent pour former de l’eau et de la chaleur. Les réactions en cours sont les suivantes :
Anode : H2 → 2H++2e−
Kathode : 2H++2e−+0.5O2 → H2O + chaleur
L’un des principaux avantages de cette technologie est son rendement élevé : les piles à combustible convertissent directement l’énergie chimique en énergie électrique avec des rendements souvent supérieurs à ceux des moteurs à combustion interne. Les seuls sous-produits sont la vapeur d’eau et la chaleur, de sorte que toutes les émissions sont sans danger pour l’environnement et que l’étiquette de plus en plus importante « zéro émission » est clairement applicable. Enfin, la technologie est évolutive de petite à grande échelle et convient donc à toute une gamme d’applications. Certaines piles à combustible aussi petites que 3 mm ont été présentées au public. Aujourd’hui, les défis qui freinent encore l’utilisation accrue sont les coûts élevés des matériaux des piles à combustible, en particulier les catalyseurs en platine.
Moteur à combustion interne à hydrogène (ICE) #
Les moteurs à combustion interne à hydrogène (ICE) représentent une autre approche de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant. Contrairement aux piles à combustible, les moteurs à combustion interne à hydrogène brûlent de l’hydrogène de la même manière que les moteurs à essence, diesel ou à gaz traditionnels. Pendant le processus de combustion, l’hydrogène est injecté dans la chambre de combustion du moteur, où il se mélange à l’air et est enflammé par une bougie d’allumage. La combustion de l’hydrogène génère des gaz à haute température qui se dilatent et entraînent les pistons du moteur, produisant de la puissance mécanique. En termes simples, la réaction en cours est la suivante :
2H2 + O2 → 2H2O + Énergie
L’un des principaux avantages de cette technologie est que les connaissances et les technologies existantes sur les moteurs à combustion interne peuvent être réutilisées. De plus, l’approche permet une puissance de sortie élevée et une densité de puissance élevée. Bien qu’elle ne soit pas totalement exempte d’émissions, la combustion de l’hydrogène émet principalement de la vapeur d’eau, avec des niveaux de NOx nettement inférieurs à ceux des carburants conventionnels.
Les principaux défis sont la réduction des émissions, ce qui pose des défis supplémentaires à la conception globale du système, car cela implique que plus d’hydrogène est nécessaire pour la même quantité d’énergie utilisable.
Développements historiques et actuels #
L’idée d’utiliser l’hydrogène dans les moteurs remonte à plus d’un siècle. François Isaac de Rivaz construit le premier moteur à combustion interne à hydrogène en 1806. Cependant, ce n’est qu’au 20esiècle que des progrès significatifs ont été réalisés dans les piles à combustible et les moteurs à combustion interne à hydrogène. Dans les années 1960 et 1970, le programme Apollo de la NASA a utilisé des piles à combustible à hydrogène pour alimenter les engins spatiaux, démontrant leur fiabilité et leur efficacité. Par la suite, des constructeurs automobiles comme Toyota, Honda et Hyundai ont développé des véhicules à pile à combustible à hydrogène (FCV) tels que la Toyota Mirai et la Hyundai Nexo. Simultanément, des entreprises comme BMW ont expérimenté les moteurs à combustion interne à hydrogène, soulignant la polyvalence de l’hydrogène en tant que carburant.
L’avenir du moteur à hydrogène #
Les moteurs à hydrogène, qui englobent à la fois les piles à combustible et les moteurs à combustion interne, offrent des voies prometteuses vers le transport durable. Alors que les piles à combustible à hydrogène mènent la charge avec leur rendement élevé et leurs émissions nulles, les moteurs à combustion interne à hydrogène offrent une application plus immédiate en tirant parti de la technologie de moteur existante. Les deux types sont confrontés à des défis en termes de coût, d’infrastructure et d’efficacité, mais l’industrialisation continue d’ouvrir la voie au rôle de l’hydrogène dans l’avenir de l’énergie propre.
