Comment fonctionnent les voitures à hydrogène

La voiture du futur est là aujourd'hui. Bien sûr, vous ne pouvez pas encore en acheter un; mais si vous habitez en Californie, vous pouvez en louer un. Il n'utilise pas d'essence et ne pollue pas l'air. En fait, il produit de la vapeur au lieu de l'échappement. Alors, quel est le carburant mystérieux? Hydrogène - l'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers. Et certaines personnes pensent que dans 20 à 30 ans, nous conduirons tous ces véhicules à hydrogène et économes en carburant.

Bien que les voitures à hydrogène aient une qualité de science-fiction, l'idée n'est pas vraiment nouvelle. En fait, la technologie d'utilisation de l'hydrogène pour produire de l'électricité existe depuis la première partie du 19e siècle - c'est plus longtemps que les voitures n'existent. Ce qui est nouveau, c'est que vous pourriez voir une voiture à hydrogène sur la route, avec de la vapeur sortant de son tuyau d'échappement au lieu de gaz nauséabonds. Plusieurs voitures à hydrogène existent maintenant, mais la plupart d'entre elles sont des concept-cars. Ces engins de conduite écologiques comprennent le Chevrolet Equinox, la BMW 745h et celui qui est actuellement disponible à la location en Californie, le Honda FCX.

Ce qui rend possible une voiture à hydrogène est un appareil appelé pile à combustible, qui convertit l'hydrogène en électricité, ne dégageant que de la chaleur et de l'eau comme sous-produits. Parce qu'il n'est pas polluant, l'hydrogène semble être le carburant idéal pour le 21e siècle. Beaucoup de gens au sein du gouvernement et de l'industrie automobile sont enthousiasmés par son potentiel. Les voitures à hydrogène ont le potentiel d'être économes en carburant et offrent l'espoir d'une conduite écologique et écologique. Mais il reste encore beaucoup de problèmes à surmonter et de questions auxquelles il faut répondre avant que l'hydrogène ne devienne le carburant de choix pour suffisamment de gens pour faire une grande différence dans notre utilisation actuelle des combustibles fossiles. Par exemple, où allons-nous obtenir l'hydrogène? Quel sera le prix d'achat de ces voitures écoénergétiques? Serez-vous capable de trouver une station de ravitaillement en hydrogène pour remplir votre réservoir? Et, peut-être le plus important, en tant que carburant, l'hydrogène est vraiment aussi non polluant qu'il n'y paraît?

Nous examinerons ces questions dans les pages qui suivent, mais nous pouvons vous donner une réponse rapide pour le moment: à moins que vous ne viviez dans des régions très spécifiques du pays et que vous ayez des poches remplies d'argent, ne vous attendez pas à une voiture à hydrogène. dans votre entrée dans la prochaine décennie.

1. Piles à hydrogène
2. Production de voitures à hydrogène
3. Recul des voitures à hydrogène

En 1839, le scientifique gallois Sir William Robert Grove a pris le processus électrochimique familier de l'électrolyse, qui utilise l'électricité pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau, et l'a inversé, générant de l'électricité et de l'eau à partir d'hydrogène. Il a appelé son invention une batterie voltaïque à gaz, mais aujourd'hui nous la connaissons comme une pile à hydrogène. Bien plus tard, au milieu du 20e siècle, la technologie a été développée par l'inventeur Francis Bacon. La technologie que ces deux inventeurs ont conçue est essentielle au fonctionnement d'une voiture à hydrogène.

Le premier système de pile à combustible pratique a été développé au début des années 1960 par General Electric pour être utilisé dans des capsules spatiales orbitales. Et puis, dans les années 1990, les piles à combustible ont commencé à apparaître dans les bus urbains. nous savons donc qu'il est possible d'alimenter les véhicules avec des piles à combustible. Vous pouvez considérer une pile à combustible comme une sorte de batterie, sauf que si une batterie conserve son carburant à l'intérieur d'elle-même, une pile à combustible doit être rechargée. Le carburant d'une pile à hydrogène est, comme son nom l'indique, l'hydrogène. Comme vous vous en souvenez peut-être en classe de chimie au lycée, l'hydrogène est le plus simple de tous les éléments. Un atome d'hydrogène est constitué d'un seul électron et d'un seul proton. La pile à combustible génère de l'électricité en retirant les électrons des protons et en utilisant les électrons pour créer un pur courant d'électricité. Les atomes d'hydrogène ionisés se combinent ensuite avec l'oxygène pour former de l'eau. L'autre sous-produit de ce processus est la chaleur, donc cette eau prend généralement la forme de vapeur. Comment est-ce pour une conduite écologique??

Le type de pile à combustible utilisé dans les voitures est la pile à combustible à membrane échangeuse de polymère (ou PEM). Les piles à combustible PEM ont l'avantage d'être légères et petites. Ils se composent de deux électrodes (une anode chargée négativement et une cathode chargée positivement), un catalyseur et une membrane. L'hydrogène est forcé dans la pile à combustible à l'anode sous la forme de molécules H2, dont chacune contient deux atomes d'hydrogène. Un catalyseur à l'anode brise les molécules en ions hydrogène (les protons) et en un flux d'électricité (les électrons). Les ions traversent la membrane, mais l'électricité doit circuler. Pendant ce temps, il peut être exploité pour faire du travail. Tout comme l'hydrogène est forcé dans la pile à combustible à l'anode, l'oxygène est forcé à la cathode. Les protons et les électrons se réunissent à la cathode et se joignent à l'oxygène pour former de l'eau, dont la plupart deviennent l'échappement de la pile à combustible. Les piles à combustible sont conçues pour être plates et minces, principalement pour pouvoir être empilées. Plus il y a de piles à combustible dans la pile, plus la tension de l'électricité produite par la pile est élevée.

Beaucoup de gens pensent que les véhicules économes en carburant comme les voitures à hydrogène seront essentiels pour répondre aux besoins énergétiques du 21e siècle. En 2003, le président George W. Bush a annoncé une initiative de 1,2 milliard de dollars pour le combustible de la liberté pour soutenir le développement de la technologie des piles à combustible. Les piles à combustible présentent deux avantages majeurs par rapport aux combustibles fossiles. Premièrement, ils n'épuisent pas l'offre mondiale limitée de pétrole, ce qui nous aide à préserver les approvisionnements existants et ils pourraient également réduire notre dépendance à l'égard du pétrole étranger. Deuxièmement, le seul sous-produit du fonctionnement d'une pile à combustible est la chaleur et l'eau, ce qui signifie que les piles à combustible ne produisent pas de pollution. Ceci est d'une importance vitale à une époque où les émissions de carbone des voitures sont censées favoriser le réchauffement climatique.

À la page suivante, nous verrons comment sont produites les voitures à hydrogène et les piles à combustible. Et peut-être plus important encore, nous verrons d'où proviendra l'hydrogène lui-même.

Alors, comment les fabricants construisent-ils des véhicules économes en carburant, comme les voitures à pile à combustible? Eh bien, la production de voitures à hydrogène n'est pas très différente de la production de voitures typiques. Bien sûr, la chaîne cinématique, par exemple, et les systèmes électriques seront quelque peu uniques car une pile à combustible produit de l'électricité. Par conséquent, une voiture à hydrogène et une voiture électrique ont beaucoup en commun à cet égard. Une question peut-être plus importante est de savoir comment l'hydrogène lui-même sera produit. Étant donné que l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers, constituant environ 90% des atomes existants, vous penseriez que ce ne serait pas un problème. Eh bien, détrompez-vous. L'hydrogène est également l'élément le plus léger de l'univers et tout hydrogène non contenu à la surface de la Terre flottera immédiatement dans l'espace extra-atmosphérique. Ce que l'hydrogène reste sur cette planète est lié à d'autres éléments sous forme moléculaire, le plus souvent dans les molécules d'eau (H2O). Et il se trouve qu'il y a beaucoup de H2O à la surface de la Terre.

Mais comment séparer les molécules d'hydrogène de l'eau des molécules d'oxygène? Et si nous n'utilisons pas l'eau comme source d'hydrogène, où pouvons-nous obtenir de l'hydrogène?

Le moyen le plus simple d'obtenir l'hydrogène de l'eau est celui que Sir William Grove connaissait il y a plus de 150 ans: l'électrolyse. Si vous passez un courant électrique dans l'eau, les molécules H2O se décomposent. Semblable au fonctionnement d'une pile à combustible, ce procédé utilise une anode et une cathode, généralement constituées de métaux inertes. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à l'eau, de l'hydrogène se forme à la cathode et de l'oxygène se forme à l'anode. Bien que ce processus soit lent, il peut être fait à grande échelle.

Une autre source d'hydrogène est le gaz naturel, qui se compose d'hydrocarbures naturels. Un processus appelé reformation à la vapeur peut être utilisé pour séparer l'hydrogène du gaz du carbone. À l'heure actuelle, il s'agit de la méthode la plus courante de production d'hydrogène à l'échelle industrielle et serait probablement la première méthode utilisée pour produire l'hydrogène des véhicules à pile à combustible. Malheureusement, ce processus utilise des combustibles fossiles - le gaz naturel - donc si le but de la construction de voitures fonctionnant à l'hydrogène est d'éviter d'épuiser les réserves de combustibles fossiles, le gaz naturel serait la pire source possible de ce carburant..

Certains experts ont suggéré qu'il serait possible de construire des usines d'hydrogène miniatures qui s'intégreront dans le garage de la personne moyenne, il ne sera donc même pas nécessaire de se rendre à la station de ravitaillement locale pour faire le plein d'hydrogène de la voiture. La forme la plus extrême de cette idée a été la suggestion que l'électrolyse pourrait être effectuée à l'intérieur de la voiture elle-même, ce qui rendrait possible l'idée étonnante d'une voiture qui fonctionne sur l'eau! Cependant, la puissance pour l'électrolyse doit provenir d'une sorte de batterie, donc une voiture à eau devrait être rechargée périodiquement..

Alors, les engins de conduite écologiques comme les véhicules équipés de piles à combustible sont-ils vraiment les voitures du futur? Beaucoup de gens l'espèrent, mais il existe plusieurs obstacles potentiels sur le chemin d'un monde où les gens se déplacent dans des voitures fonctionnant à l'hydrogène. Nous les examinerons à la page suivante.

Beaucoup de gens pensent que les piles à hydrogène sont la technologie de carburant alternative la plus importante actuellement en cours de développement. Cependant, ce n'est pas sans problèmes, et il faudra peut-être des décennies avant que la technologie des piles à combustible soit largement utilisée. On peut regrouper grosso modo les problèmes de l'hydrogène en trois catégories: les coûts de développement de la technologie, les difficultés et les dangers du stockage de l'hydrogène et la possibilité que cette "technologie non polluante" ne soit pas si non polluante après tout. Voici quelques-uns des revers des voitures à hydrogène auxquels nous pouvons nous attendre dans un proche avenir.

Les coûts de développement de la technologie de l'hydrogène sont élevés. Nous devons non seulement concevoir et développer les piles à combustible et les voitures, mais nous devons également développer une infrastructure pour soutenir ces véhicules écoénergétiques. Imaginez si vous possédez actuellement une voiture à hydrogène. Où iriez-vous pour remplir votre réservoir? En supposant que vous ne disposiez pas d'une installation de production d'hydrogène dans votre garage, vous aurez besoin d'une station de ravitaillement en hydrogène, et le seul endroit où un nombre important de telles stations existe actuellement est dans l'État de Californie, où le gouverneur Arnold Schwarzenegger a engagé à soutenir un avenir hydrogène. Certaines des estimations les plus pessimistes ont placé le coût de la construction d'une infrastructure qui permettra à un nombre important de voitures à hydrogène de s'élever à 500 milliards de dollars - et le temps nécessaire pour produire l'infrastructure jusqu'à quatre décennies.!

Le coût des voitures est également élevé. Avec le platine comme catalyseur le plus largement utilisé dans les piles à combustible, le prix d'un véhicule à pile à combustible unique est actuellement supérieur à 100000 $ et peut-être même beaucoup plus, c'est pourquoi les seules voitures à hydrogène disponibles pour le moment sont à louer. , pas à vendre. Peu de gens sont en mesure de s'offrir une voiture aussi chère. D'autres catalyseurs sont en cours de développement qui seront probablement moins chers que le platine, mais personne ne sait dans quel délai ils seront disponibles pour une utilisation à grande échelle..

Le problème du stockage est également épineux. L'hydrogène est un gaz et il aime se répandre. Le mettre dans une voiture signifie le réduire à une taille raisonnable, et ce n'est pas facile. De plus, l'hydrogène se réchauffe lorsqu'il se trouve dans le réservoir d'une voiture garée, ce qui provoque l'expansion du gaz. Cela signifie que les réservoirs doivent périodiquement évacuer l'hydrogène de la voiture. Laissez une voiture à hydrogène reposer pendant plus de quelques jours et tout le carburant aura disparu. L'hydrogène est également hautement inflammable - l'explosion spectaculaire du dirigeable Hindenburg dans les années 1930 est considérée par certains comme étant le résultat d'un incendie d'hydrogène - donc, si l'hydrogène sort du réservoir, il a le potentiel d'être dangereux. . Heureusement, les feux d'hydrogène ne sont pas aussi chauds que les feux d'essence et sont moins susceptibles de déclencher des incendies secondaires. Et parce que l'hydrogène monte, la plupart de l'hydrogène échappé flottera avant qu'il ne puisse réellement nuire..

Et l'hydrogène est-il vraiment non polluant? Une pile à combustible ne produit que de la chaleur et de l'eau comme gaz d'échappement, mais les processus utilisés pour créer l'hydrogène ne sont pas nécessairement aussi propres. L'électrolyse utilise de l'électricité et cette électricité proviendra souvent de centrales qui brûlent du charbon, une source très polluante. Et lorsque l'hydrogène est extrait du gaz naturel, il produit des émissions de carbone, ce que nous essayons d'éviter en utilisant en premier lieu l'hydrogène..

Beaucoup de gens pensent que nous finirons par surmonter ces obstacles, mais ce sera difficile. D'autres pensent que notre meilleur pari pour l'efficacité énergétique et la conduite écologique dans un proche avenir ne réside pas dans l'hydrogène mais dans les véhicules électriques hybrides, comme la Toyota Prius, la Ford Fusion hybride et d'autres voitures hybrides similaires. Pourtant, il est possible que dans les deux prochaines décennies, vous possédiez une voiture à pile à hydrogène.

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Sources

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• Berger, Michael. "La nanotechnologie pourrait nettoyer le sale petit secret de la voiture à hydrogène." Nanowerk. 19 juillet 2007. (21 avril 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• ScienceDaily. "Voitures à hydrogène? Le réservoir de stockage d'hydrogène prototype maintient une endurance thermique étendue." 10 juin 2008. (21 avril 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• ScienceDaily. "Les voitures à hydrogène ne sont pas le meilleur moyen de réduire la pollution, les gaz à effet de serre et la dépendance au pétrole." 18 juillet 2003. (21 avril 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chuck. "Les voitures à hydrogène sont là. Maintenant, nous avons juste besoin d'une infrastructure de ravitaillement." Filaire. 12 mars 2008. (21 avril 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chuck. «Nous conduisons le véhicule à pile à hydrogène Chevrolet Equinox.» Filaire. 11 mars 2008. (21 avril 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. "La voiture du futur perpétuel." L'économiste. 4 septembre 2008. (21 avril 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229