Depuis bien des années nous
sommes habitués à voir les engins de levage , de transport de charges
entre autres fonctionner à l'électricité principalement dans des
entrepôts ou dans des chantiers. On a même vu ( ou nos ancêtres ont vu)
des voitures électriques , la "Jamais
contente " de Camille Jenatzy" atteint 66 km/h en
1899. Il faudra bien des années avant qu'on reparle d'électrifier un
véhicule, en cause les batteries d'accumulateurs.
Les accumulateurs
Plomb-acide de Gaston Planté et Camille Alphonse
Faure et l'accumulateur Cadmium Nickel de Waldemar
Jungnière de répondent pas aux besoins . Une révolution
l'accumulateur Lithium - Ion de
Stanley Whittingham,
John Bannister Goodenough ,
Akira Yochino (prix Nobel 2019)
va bouleverser le monde de l'autonomie.
Retrouver son appareil chargé après plusieurs mois d'arrêt ne s'était
jamais vu, les utilisateurs d'outillage portatif n'en reviennent pas,
l'accumulateur au lithium est un réel progrès. Maintenant on peut parler
de voiture électrique d'autant plus que les gouvernements font la chasse
au CO2 et notamment au CO2 produit par les moteurs thermiques.
Les constructeurs d'automobile vont créer des modèles fonctionnant
entièrement à l'électricité. Aux Etats Unis , Tesla sort sa
première voiture en 2008 d'une usine créée spécialement. En France
Renault après avoir présenté des "concept car" en 2005 et en
2009 commercialise sa Zoé en 2012.
La voiture tout électrique:
Ces voitures fonctionnent très bien , mais les batteries sont lourdes et
une voiture doit pouvoir transporter des passagers. Il faut donc faire
un compromis entre autonomie et la charge utile, c'est à dire
plus ou moins de batteries . Si la recharge des batteries
se fait à l'aide d'électricité décarbonée: centrales nucléaires,
éoliennes, panneaux solaires, le gain est intéressant sur le plan de
l'émission de CO2.
Pour se faire une idée, début 2024 prix le plus bas chez Tesla 43
000 € , la Renault ZOE 35 000 € l'écart de prix n'est pas considérable ,
en fait le coût de la voiture est, dans une large mesure, tributaire
du prix des batteries qui
sont probablement peu différents d'un constructeur à l'autre. La
masse du véhicule et son potentiel d'accélération déterminent la
puissance du système de propulsion et son autonomie (distance parcourue
sans recharge) imposent la quantité de batteries nécessaires et donc le
prix de la voiture. Le remplacement de la batterie d'une voiture
électrique peut varier de 4 500 à 20 000 € mais ces valeurs sont
susceptibles de varier rapidement, les usines de fabrication fleurissent
de partout, 4 gigafactories sont prévues dans le nord de la France ,
dont l'une devrait produire des cellules dés la fin 2024. Toujours
pour se faire une idée la garantie constructeur pour les batteries est
fréquemment de 8 ans et 160 000 km
La voiture Hybride:
Le problème de l'autonomie est contourné par les voitures hybrides avec
un accumulateur au lithium et un moteur thermique mais ce n'est pas
entièrement satisfaisant, il y a toujours production de CO2 lorsque le
moteur thermique entre en jeu. Les constructeurs vont doser plus
ou moins d'électrique, en ville électrique, sur route thermique ou
beaucoup d'électrique et assistance thermique ou ....mais combiner les
deux principes va augmenter le coût du véhicule. Si l'autonomie en
électrique est faible, il y aura peu de batterie ce qui en réduit le
coût
Pour se faire une idée, la Toyota Yaris coûte 27 000 € autonomie
en électrique 2 km. L'autonomie des voitures hybrides peut aller jusqu'à
90km
La pile à combustible:
Une autre solution, générer son électricité. Depuis bien des années , en
France dans les années 60 on étudiait déjà les piles à combustible,
recombiner de l'Hydrogène avec de l'Oxygène pour produire de l'eau et du
courant électrique on sait faire. La pile à combustible coûte cher notamment
les électrodes qui sont le siège de la recombinaison. Un catalyseur est
nécessaire, le platine, et ça coûte cher. Si la pile utilise
l'oxygène de l'air, l'hydrogène doit lui être fourni.
L'atome
d'hydrogène comporte un proton et un électron, il est très petit le
circuit doit être très soigné si on veut éviter les fuites.
Si de
l'hydrogène se répand dans une atmosphère calme, la moindre étincelle
pourra provoquer la recombinaison de l'Hydrogène avec l'Oxygène de l'air
brutalement, une explosion , c'est très dangereux. Le stockage de
suffisamment d'hydrogène pour une autonomie satisfaisante, sous forme gazeux, doit être fait à plusieurs centaines de
bars, il convient donc de soigner particulièrement le réservoir, un
réservoir qui doit résister aux chocs qui va être lourd et très coûteux
.
L'hydrogène qui va lui être fourni doit être "fabriqué" soit par
électrolyse de l'eau procédé à faible rendement mais propre soit par vaporeformage,
procédé le plus courant actuellement à partir du méthane CH4 mais qui produit du CO2.
L'hydrogène pose problème pour sa fabrication et son stockage .
Pour se faire une idée: Hyundai produit la NEXO 660 km
d'autonomie prix 81 000 €, et
Toyota Mirai à hydrogène à partir de 72 000 €.
Dans l'aviation des essais sont réalisés , l'objectif est zéro émission
de CO2 en 2050. En septembre un petit avion a volé en septembre 2023
voir la photo ci contre. Equipé d'un réservoir d' hydrogène liquide par
l'Air Liquide et conçu par H2FLY.
Le moteur à hydrogène:
Le moteur à combustion d'hydrogène est un moteur thermique dans
lequel l'essence ou le gaz est remplacé par de l'hydrogène. Il est
possible que certain véhicules roulent sur des pistes privées à l'abri
du regard indiscret des concurrents, mais actuellement (début 2024) pas
de commercialisation prévue dans un avenir proche.
Coté aéronautique, en raison de la quantité d'énergie nécessaire pour
faire voler un avion de ligne, il est actuellement impossible
d'envisager un stockage de l'hydrogène gazeux. Le stockage devra donc se
faire sous forme liquide.
Le problème du réservoir:
Exemple , l'azote:
Nombreux sont ceux qui ont déjà vu manipuler de l'azote liquide à la
pression atmosphérique , laboratoires de physique, service médicaux
...A la pression atmosphérique normale (1bar) l'azote liquide est à -196 °C, contenue dans un vase de Dewar (bouteille
thermo), elle bout pour se maintenir à cette température. Le vase évite
un grand apport de chaleur de l'extérieur mais l'isolation n'est jamais
parfaite et il faut que des orifices soient faits pour permettre
l'utilisation de l'azote il y a donc un apport de chaleur même s'il est
faible. On sait que pour transformer un liquide en gaz on doit lui
fournir de la chaleur (faire bouillir de l'eau), l'apport de chaleur va
provoquer l'ébullition de l'azote qui, en bouillant,va dissiper
la chaleur due à l'isolation imparfaite.
Après un long stockage l'azote se sera évaporé complètement. Si on
obture l'orifice d'évacuation du gaz produit par l'ébullition la
pression dans le réservoir va augmenter jusqu'à ce qu'il cède, l'azote
liquide va brutalement se trouver dans un milieu où il est naturellement
gazeux , le changement d'état sera brutal .
l'hydrogène:
Le stockage de l'hydrogène liquide est plus critique que l'azote mais le
principe est le même. L'hydrogène liquide à la pression atmosphérique
normale (1 bar ou 104 pascals) bout à 20K (-253 °C) il est
alors nécessaire de le contenir dans un récipient très isolant afin
d'éviter des entrées de chaleur importantes. Cependant, bien que faible,
il y aura toujours une entrée de chaleur, du liquide doit alors
s'évaporer pour consommer cette entrée calorifique. Le stockage doit
donc permettre
au gaz généré lors de l'ébullition de s'échapper afin d'éviter une
surpression dramatique. Il s'ajoute à cela le danger que peut présenter
une quantité importante de gaz hydrogène dans l'air, la
combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène produit une énergie
importante 141 Mégajoules par kilogramme , 3 fois plus que le gaz
butane.
Le diagramme ci contre montre qu'au delà du point critique , 33 K et 13
bars l'hydrogène ne peut plus être liquide c'est à dire que si on
remplit un réservoir avec de l'hydrogène liquide à la pression
atmosphérique et à la température de 20K, les entrées calorifiques vont
réchauffer l'hydrogène , le fluide va parcourir la courbe en
direction du point critique, pour éviter de l'atteindre il sera
alors nécessaire de permettre une évaporation, ouverture d'une
vanne par exemple, qui fera baisser la pression et l'évaporation du
liquide provoquera une baisse de sa température , la vanne pourra alors
se refermer.
Un petit calcul pour se faire une idée:
Chaleur de vaporisation de l'hydrogène : 454,3 KJ/kg c'est à
dire qu'il faut fournir 454,3 kilojoules pour vaporiser 1 kg d'hydrogène
Chaleur spécifique de l'hydrogène: 10kJ /kg.K
c'est à dire
qu'il faut fournir 10 kJ pour augmenter ou abaisser la température de
1kg d'hydrogène de 1K
Supposons que la température d'un kilo d'hydrogène ait augmenté de 1K il
va être nécessaire d'évaporer 10/454 (soit 10/500) = 0,02 kg
d'hydrogène. C'est à dire qu'il faut évaporer 20g d'hydrogène pour
abaisser la température d'un kilo d'hydrogène de 1 Kelvin.
En aéronautique:
L'image de droite montre un petit avion réalisé par la société H2Fly
propulsé à l'aide d'un moteur électrique alimenté par une pile à
combustible à hydrogène. La société donne peu d'information technique .
Il vole.
De son coté Airbus travaille sur les deux modes : pile à combustible
à hydrogène et moteur électrique, et moteur à combustion d'Hydrogène .
Des avions démonstrateurs devraient voler en 2026 en vue de transporter
des passagers en 2030.
Actuellement
Safran et General Electrique (GE) travaillent sur la partie moteur et
Airbus et Ariane Groupe sur le comportement d'un moteur à combustion
d'hydrogène en aéronautique.
Le transport par avion à hydrogène ne repose pas seulement sur l'avion
mais aussi sur les infrastructures. Notamment l' adaptation des
aéroports