Moteur à hydrogène. Comment ça marche et ses inconvénients

Les moteurs à combustion interne ne sont pas apparus comme des groupes motopropulseurs distincts de façon spectaculaire. Au contraire, le moteur classique est le résultat du raffinement et de l'amélioration des moteurs thermiques. Découvrez comment l'unité, que nous avons l'habitude de voir sous le capot des voitures, est apparue progressivement. dans un article séparé.

Cependant, lorsque la première voiture équipée d'un moteur à combustion interne est apparue, l'humanité a reçu un véhicule automoteur qui ne nécessitait pas une alimentation constante, comme un cheval. Beaucoup de choses ont changé dans les moteurs depuis 1885, mais un inconvénient reste inchangé. Lors de la combustion d'un mélange d'essence (ou autre carburant) et d'air, trop de substances nocives sont libérées et polluent l'environnement.

Si avant l'avènement des véhicules automoteurs, les architectes des pays européens craignaient que les grandes villes ne se noient dans la bouse de cheval, les habitants des mégalopoles respirent aujourd'hui un air sale.

Le resserrement des normes environnementales pour le transport oblige les constructeurs automobiles à développer un groupe motopropulseur plus propre. Ainsi, de nombreuses entreprises se sont intéressées à la technologie précédemment créée d'Anjos Jedlik - un chariot automoteur à traction électrique, qui est apparu en 1828. Et aujourd'hui, cette technologie est devenue si fermement implantée dans le monde automobile que vous ne surprendrez personne avec une voiture électrique ou hybride.

Mais ce qui est vraiment encourageant, ce sont les centrales électriques, dont le seul rejet est l'eau potable. C'est un moteur à hydrogène.

Qu'est-ce qu'un moteur à hydrogène?

C'est un type de moteur qui utilise l'hydrogène comme carburant. L'utilisation de cet élément chimique réduira l'épuisement des ressources en hydrocarbures. La deuxième raison de l'intérêt pour de telles installations est la réduction de la pollution de l'environnement.

En fonction du type de moteur utilisé dans le transport, son fonctionnement sera différent du moteur à combustion interne classique ou sera identique.

Une brève histoire

Les moteurs à combustion interne à hydrogène sont apparus à la même époque où le principe ICE était développé et amélioré. Un ingénieur et inventeur français a conçu sa propre version d'un moteur à combustion interne. Le carburant qu'il a utilisé dans son développement est l'hydrogène, qui apparaît à la suite de l'électrolyse de H₂A. En 1807, la première voiture à hydrogène est apparue.

Isaac De Rivaz dépose en 1807 un brevet pour le développement d'un tracteur pour équipement militaire. comme l'une des unités d'alimentation, il a suggéré d'utiliser l'hydrogène.

L'unité motrice était à piston, et l'allumage était dû à la formation d'une étincelle dans le cylindre. Certes, la première création de l'inventeur nécessitait une génération d'étincelles manuelle. Après seulement deux ans, il a finalisé ses travaux et le premier véhicule automoteur à hydrogène est né.

Cependant, à cette époque, le développement n'avait pas d'importance, car le gaz n'est pas aussi facile à obtenir et à stocker que l'essence. Les moteurs à hydrogène ont été pratiquement utilisés à Leningrad pendant le blocus de la seconde moitié de 1941. Cependant, nous devons admettre qu'il ne s'agissait pas exclusivement d'unités hydrogène. C'étaient des moteurs à combustion interne GAZ ordinaires, mais il n'y avait pas de carburant pour eux, mais il y avait beaucoup de gaz à ce moment-là, car ils étaient alimentés par des ballons.

Dans la première moitié des années 80, de nombreux pays, non seulement européens, mais aussi américains, russes et japonais ont entrepris d'expérimenter ce type d'installations. Ainsi, en 1982, avec le travail conjoint de l'usine de Kvant et de l'entreprise automobile RAF, un moteur combiné est apparu, fonctionnant avec un mélange d'hydrogène et d'air, et une batterie de 5 kW / h a été utilisée comme source d'énergie.

Depuis lors, différents pays ont tenté d'introduire des véhicules «verts» dans leurs gammes de modèles, mais dans la plupart des cas, ces voitures sont restées dans la catégorie des prototypes ou ont eu une édition très limitée.

Comment ça marche

Comme il existe aujourd'hui de nombreux moteurs en fonctionnement de cette catégorie, dans chaque cas individuel, l'usine d'hydrogène fonctionnera selon son propre principe. Considérez comment fonctionne une modification qui peut remplacer le moteur à combustion interne classique.

Dans un tel moteur, des piles à combustible seront certainement utilisées. Ce sont des sortes de générateurs qui activent une réaction électrochimique. À l'intérieur de l'appareil, l'hydrogène est oxydé et le résultat de la réaction est la libération d'électricité, de vapeur d'eau et d'azote. Le dioxyde de carbone n'est pas émis dans une telle installation.

Un véhicule basé sur une unité similaire est le même véhicule électrique, seule la batterie qui s'y trouve est beaucoup plus petite. La pile à combustible génère suffisamment d'énergie pour faire fonctionner tous les systèmes du véhicule. La seule mise en garde est que du début du processus à la génération d'énergie, cela peut prendre environ 2 minutes. Mais la puissance maximale de l'installation commence après le réchauffement du système, ce qui prend d'un quart d'heure à 60 minutes.

Pour que la centrale ne fonctionne pas en vain et qu'il ne soit pas nécessaire de préparer le transport pour le voyage à l'avance, une batterie conventionnelle y est installée. Pendant la conduite, il est rechargé en raison de la récupération, et il est nécessaire exclusivement pour démarrer une voiture.

Une telle voiture est équipée d'un cylindre de volumes différents, dans lequel de l'hydrogène est pompé. Selon le mode de conduite, la taille de la voiture et la puissance de l'installation électrique, un kilogramme d'essence peut suffire pour 100 kilomètres de trajet.

Types de moteurs à hydrogène

Bien qu'il existe plusieurs modifications des moteurs à hydrogène, ils se divisent tous en deux types:

• Type d'unité avec pile à combustible;
• Moteur à combustion interne modifié, adapté pour fonctionner à l'hydrogène.

Considérons chaque type séparément: quelles sont leurs caractéristiques.

Centrales électriques à piles à hydrogène

La pile à combustible est basée sur le principe d'une batterie, dans laquelle se déroule un processus électrochimique. La seule différence entre l'analogue de l'hydrogène est son efficacité plus élevée (dans certains cas, plus de 45%).

La pile à combustible est une chambre unique dans laquelle sont placés deux éléments: la cathode et l'anode. Les deux électrodes sont revêtues de platine (ou de palladium). Une membrane est située entre eux. Il divise la cavité en deux chambres. L'oxygène est fourni à la cavité avec la cathode et l'hydrogène est fourni à la seconde.

En conséquence, une réaction chimique se produit, dont le résultat est la combinaison de molécules d'oxygène et d'hydrogène avec la libération d'électricité. Un effet secondaire du processus est la libération d'eau et d'azote. Les électrodes de la pile à combustible sont connectées au circuit électrique de la voiture, y compris le moteur électrique.

Moteurs à combustion interne à hydrogène

Dans ce cas, bien que le moteur soit appelé hydrogène, il a une structure identique à un ICE classique. La seule différence est que ce n'est pas l'essence ou le propane qui brûle, mais l'hydrogène. Si vous remplissez une bouteille d'hydrogène, il y a un problème: ce gaz réduira le rendement d'une unité conventionnelle d'environ 60%.

Voici quelques autres problèmes liés au passage à l'hydrogène sans mise à niveau du moteur:

• Lorsque le HTS est comprimé, le gaz entre dans une réaction chimique avec le métal à partir duquel la chambre de combustion et le piston sont fabriqués, et cela peut souvent également se produire avec l'huile moteur. Pour cette raison, un autre composé se forme dans la chambre de combustion, qui ne se distingue pas par une capacité particulière à bien brûler;
• Les interstices de la chambre de combustion doivent être parfaits. Si quelque part le système de carburant a au moins une fuite minime, le gaz s'enflammera facilement au contact d'objets chauds.

Moteur pour Honda Clarity

Pour ces raisons, il est plus pratique d'utiliser l'hydrogène comme carburant dans les moteurs rotatifs (quelle est leur caractéristique, lire ici). Les collecteurs d'admission et d'échappement de ces unités sont situés séparément l'un de l'autre, de sorte que le gaz à l'entrée ne chauffe pas. Quoi qu'il en soit, alors que les moteurs sont en cours de modernisation afin de contourner les problèmes liés à l'utilisation de carburant moins cher et plus respectueux de l'environnement.

Quelle est la durée de vie des piles à combustible?

Partout dans le monde aujourd'hui, de telles voitures sont très rares, et elles ne sont pas encore dans la série, il est difficile de dire de quelle ressource cette source d'énergie dispose. Les artisans n'ont pas encore d'expérience à cet égard.

La seule chose que l'on puisse dire est que, selon les représentants de Toyota, la pile à combustible de leur voiture de production Mirai est capable de générer sans interruption de l'énergie jusqu'à 250 XNUMX kilomètres. Après cette étape, vous devez surveiller l'efficacité de l'appareil. Si ses performances ont sensiblement diminué, la pile à combustible est changée dans un centre de service agréé. Certes, il faut s'attendre à ce que l'entreprise prenne un montant décent pour cette procédure.

Quelles entreprises fabriquent déjà ou vont fabriquer des voitures à hydrogène?

De nombreuses entreprises sont engagées dans le développement d'une unité d'alimentation respectueuse de l'environnement. Voici les marques automobiles, dans le bureau d'études dont il existe déjà des options de travail, prêtes à être mises en série:

• Mercedes-Benz est un multisegment GLC F-Cell, dont le début des ventes a été annoncé en 2018, mais jusqu'à présent, seules quelques entreprises et ministères allemands l'ont acquis. Un prototype de tracteur à pile à hydrogène, GenH2, a été récemment dévoilé;
• Hyundai - Prototype Nexo présenté il y a deux ans ;
• BMW est un prototype de l'hydrogène Hydrogen 7, qui est sorti de la chaîne de montage. Un lot de 100 exemplaires est resté au stade expérimental, mais c'est déjà quelque chose.

Parmi les voitures de série qui peuvent être achetées à la fois en Amérique et en Europe figurent les modèles Mirai et Clarity de Toyota et Honda, respectivement. Pour d'autres entreprises, ce développement est toujours soit en version dessin, soit en tant que prototype non fonctionnel.

Toyota mirai

Clarté Honda

Combien coûte une voiture à hydrogène?

Le coût d'une voiture à hydrogène est décent. La raison en est les métaux précieux qui composent les électrodes des piles à combustible (palladium ou platine). En outre, une voiture moderne est équipée d'innombrables systèmes de sécurité et de stabilisation du fonctionnement des éléments électriques, ce qui nécessite également des ressources matérielles.

Bien que l'entretien d'une telle voiture (jusqu'au remplacement des piles à combustible) ne soit pas beaucoup plus cher qu'une voiture ordinaire des dernières générations. Il y a des pays qui parrainent la production d'hydrogène, mais même en tenant compte de cela, vous devrez payer en moyenne 11 dollars et demi par kilogramme de gaz. Selon le type de moteur, cela peut suffire pour une distance d'une centaine de kilomètres.

Pourquoi les voitures à hydrogène sont-elles meilleures que les voitures électriques?

Si vous prenez une usine à hydrogène avec des piles à combustible, alors une telle voiture sera identique à la voiture électrique que nous avons l'habitude de voir sur les routes. La seule différence est que la voiture électrique est rechargée depuis le réseau ou depuis un terminal d'une station-service. Le transport d'hydrogène lui-même produit de l'électricité pour lui-même.

Quant au coût de ces voitures, elles sont plus chères. Par exemple, les modèles Tesla dans la configuration de base coûteront 45 mille dollars. Les analogues de l'hydrogène du Japon peuvent être achetés pour 57 50 cu. Les Bavarois, quant à eux, vendent leurs voitures au carburant «vert» au prix de XNUMX XNUMX dollars.

Compte tenu de l'aspect pratique, il est plus facile de remplir la voiture d'essence (cela prendra environ cinq minutes) que d'attendre une demi-heure (avec une charge rapide, ce qui n'est pas autorisé pour tous les types de batteries) dans le parking. C'est le plus des usines à hydrogène.

Un autre avantage est que les piles à combustible ne nécessitent pas particulièrement d'entretien et que leur durée de vie est assez longue. Quant aux véhicules électriques, leur énorme batterie devra être remplacée dans environ cinq ans en raison du fait qu'elle comporte de nombreux cycles de charge-décharge. Par temps de gel, la batterie des véhicules électriques se décharge beaucoup plus rapidement qu'en été. Mais l'élément sur la réaction d'oxydation de l'hydrogène n'en souffre pas et produit de l'électricité de manière stable.

Quelles sont les perspectives des voitures à hydrogène et quand seront-elles visibles sur la route?

En Europe et aux États-Unis, la voiture à hydrogène est déjà présente. Cependant, ils sont toujours dans la catégorie curiosité. Et aujourd'hui, il n'y a pas beaucoup de perspectives.

La principale raison pour laquelle ce type de transport ne remplira pas bientôt les routes de tous les pays est le manque de capacité de production. Tout d'abord, il est nécessaire d'établir la production d'hydrogène. De plus, il est nécessaire d'atteindre un niveau tel que, outre le respect de l'environnement, il soit également du carburant disponible pour la plupart des automobilistes. En plus de la production de ce gaz, il est nécessaire d'organiser son transport (même si pour cela vous pouvez utiliser en toute sécurité les autoroutes le long desquelles le méthane est transporté), ainsi que d'équiper de nombreuses stations-service avec des terminaux appropriés.

Deuxièmement, chaque constructeur automobile devra sérieusement moderniser ses lignes de production, ce qui nécessite des investissements considérables. Dans une économie instable due à l'éclosion d'une épidémie mondiale, rares sont ceux qui prendront de tels risques.

Si vous regardez le rythme de développement du transport électrique, le processus de vulgarisation s'est déroulé très rapidement. Cependant, la popularité des voitures électriques s'explique par la possibilité d'économiser du carburant. Et c'est souvent la première raison pour laquelle ils sont achetés, et non dans un souci de préservation de l'environnement. Dans le cas de l'hydrogène, il ne sera pas possible d'économiser de l'argent (du moins maintenant), car beaucoup plus de ressources énergétiques sont dépensées pour le produire.

Avantages et principaux inconvénients des moteurs à hydrogène

Alors, résumons. Les avantages des moteurs à hydrogène comprennent les facteurs suivants:

• Émissions respectueuses de l'environnement;
• Fonctionnement silencieux du groupe motopropulseur (traction électrique);
• Dans le cas de l'utilisation d'une pile à combustible, un entretien fréquent n'est pas nécessaire;
• Ravitaillement rapide;
• Par rapport aux véhicules électriques, le système de propulsion et la source d'énergie fonctionnent de manière plus stable même à des températures glaciales.

Bien que le développement ne puisse pas être qualifié de nouveauté, il présente néanmoins un certain nombre de lacunes qui incitent l'automobiliste moyen à le regarder avec prudence. En voici quelques uns:

• Pour que l'hydrogène s'enflamme, il doit être à l'état gazeux. Cela crée certaines difficultés. Par exemple, des compresseurs spéciaux coûteux sont nécessaires pour comprimer les gaz légers. Il y a également un problème avec le stockage et le transport appropriés du carburant, car il est hautement inflammable;
• Le cylindre, qui sera installé sur la voiture, devra être inspecté périodiquement. Pour cela, l'automobiliste devra se rendre dans un centre spécialisé, ce qui représente un coût supplémentaire;
• Dans une voiture à hydrogène, une énorme batterie n'est pas utilisée, cependant, l'installation pèse toujours décemment, ce qui affecte considérablement les caractéristiques dynamiques du véhicule;
• Hydrogène - s'enflamme à la moindre étincelle, donc un accident impliquant une telle voiture sera accompagné d'une grave explosion. Compte tenu de l'attitude irresponsable de certains conducteurs à l'égard de leur propre sécurité et de la vie des autres usagers de la route, ces véhicules ne peuvent pas encore être mis en circulation.

Compte tenu de l'intérêt de l'humanité pour un environnement propre, on s'attend à ce qu'une percée soit faite dans la question de la finalisation du transport «vert». Mais lorsque cela se produit, seul le temps le dira.

En attendant, regardez la critique vidéo sur la Toyota Mirai:

Avenir sur l'hydrogène ? Toyota Mirai - REVUE COMPLÈTE et spécifications | LiveFEED®

Questions et réponses

Pourquoi un moteur à hydrogène est-il dangereux ? Lors de la combustion du mélange d'hydrogène, le moteur chauffe plus que lors de la combustion de l'essence. En conséquence, il existe une forte probabilité d'épuisement des pistons, des soupapes et de la surcharge de l'unité.

Comment faire le plein d'une voiture à hydrogène ? Une telle voiture est alimentée en hydrogène à l'état gazeux (gaz liquéfié ou comprimé). Pour stocker le carburant, il est comprimé à 350-700 atmosphères et la température peut atteindre -259 degrés.

Comment fonctionne un moteur à combustion interne à hydrogène ? La voiture est équipée d'une sorte de batterie. L'oxygène et l'hydrogène passent à travers des plaques spéciales. Le résultat est une réaction chimique avec libération de vapeur d'eau et d'électricité.