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RÉSUMÉ
Le dihydrogène constitue un axe novateur de la révolution énergétique décarbonée des machines de conversion d’énergie à poste fixe et des mobilités à l’horizon 2040 et au-delà. Les équations de la détonique permettent de comprendre et d’identifier en premier lieu les risques majeurs de fuite et d’explosion de cette molécule. Un panorama des machines à hydrogène et oxygène distingue les usages différenciés des piles à combustibles et des moteurs à pistons en fonction de leur domaine d’application. Les innovations de l’ensemble du panel des mobilités sont analysées de même que leurs sources diversifiées d’énergie primaire. Les applications en avance de phase sur les groupes électrogènes et la poly-génération ainsi que sur les potentialités réelles de l’hydrogène enrichi concluent cet article.
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Georges DESCOMBES : Professeur des universités, Docteur en sciences physiques, - Ingénieur motoriste du Cnam, Ingénieur scientifique en physique énergétique, Docteur h.c., Paris, France
INTRODUCTION
On assiste à une explosion de projets industriels sur le dihydrogène aux quatre coins de la planète soutenus massivement par les États depuis quelques années. L’un des intérêts du dihydrogène est d’être décarboné et de stocker simultanément de l'énergie et de produire de l'électricité. Il est de plus transportable, sous réserve d’un strict protocole de sécurité, sous forme liquide et gazeuse, à condition que la distance entre le lieu de production et le lieu d’utilisation ne soit pas trop éloignée afin de ne pas obérer son cycle de vie.
Cette transition se heurte à de nombreux défis car l’infrastructure pour le transport, le stockage et la sécurité de l’hydrogène demeure un verrou à mettre sous contrôle de même que son coût de production.
Le dihydrogène conventionnel est usuellement fabriqué par gazéification du charbon de bois, de la biomasse, par vaporeformage du biogaz et dans une moindre mesure par électrolyse de l’eau. L’hydrogène est largement utilisé comme matière première pour la fabrication de l’ammoniac, des engrais et de méthanol. Il sert aussi de réactif dans les processus de raffinage du pétrole brut. Les industries fortement émettrices de CO2 dont la métallurgie et la verrerie sont en première ligne pour tenter de réduire significativement l’empreinte carbone. L’utilisation de l'hydrogène, en dehors du cadre industriel dans lequel il est aujourd’hui employé avec des protocoles sévèrement réglementés, pose toutefois de sérieux problèmes de sécurité en raison des risques névralgiques de fuites, de feux, d’incendies et d’explosions. La génération du stockage de l’électricité dans les batteries électriques est elle aussi à surveiller de près, car les batteries génèrent des gaz inflammables potentiellement à l’origine de feux ou d’explosions, l'hydrogène induisant bien sûr des scénarios aux conséquences plus graves du fait de l’extrême légèreté de cette molécule.
Cependant, l’hydrogène dans les mobilités constitue une piste très investiguée en recherche appliquée. Un panorama des machines à hydrogène et oxygène doit donc être établi en distinguant les usages différenciés des piles à combustibles et des moteurs à pistons en fonction de leur domaine d’application.
Il existe cinq voies prioritaires pour décarboner les transports : l’électricité, l’hydrogène, l’hydrogène additivé ou enrichi, les carburants gazeux tels que la biométhanisation et ses dérivés avec la biomasse, et les carburants synthétiques obtenus en combinant de l’hydrogène avec du CO2. La molécule de dihydrogène inscrite désormais dans la révolution énergétique décarbonée des machines de conversion d’énergie est à manipuler avec une extrême prudence comme le lait sur le feu. Les équations de la détonique permettent d’identifier en premier lieu les sources majeures de dangerosité de cette molécule pour les mettre sous contrôle.
Les innovations de progrès et de rupture sur l’ensemble du panel des mobilités doivent elles aussi être analysées finement de même que leurs sources diversifiées d’énergie primaire. Elles démontrent l’effervescence qui règne actuellement sur l’ensemble des mobilités. Les applications en avance de phase sur les groupes électrogènes décarbonés et la polygénération sont elles aussi de pleine actualité.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.
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Innovations de progrès dans les piles électriques à hydrogène5. Innovations avancées dans les moteurs à pistons
5.1 État de l’art
Dans son brevet de 1799, Philippe Lebon avait prédit que le « gaz hydrogène », du gaz de bois qui devait contenir au moins 50 % de dihydrogène serait « une force applicable à toutes espèces de machine ». En 1859, Étienne Lenoir déposait son brevet « d'un moteur à gaz et à air dilaté », un moteur à combustion interne à 2 temps qui utilise le gaz de houille. À partir de 1980, le constructeur automobile japonais Mazda travaille sur l'application du dihydrogène aux moteurs rotatifs et en 1991, il présente un concept de moteur rotatif à hydrogène au Salon de l’automobile de Tokyo. La BMW Hydrogen 7 présentée au salon de Los Angeles en novembre 2006 serait la première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène. BMW a produit une centaine d’exemplaires de la version Hydrogen 7 entre 2007 et 2009. Le véhicule était équipé d’un moteur V12 de 6 L de cylindrée, fonctionnant aussi bien à l’essence qu’à l’hydrogène. Le gaz était stocké sous forme liquide à très basse température dans un réservoir cryogénique de 170 L (8 kg) permettant de parcourir environ 200 km. En 2013, une Aston Martin hybride roule sur le circuit du Nürburgring en Allemagne et fonctionne à l'hydrogène comprimé, l'essence ou un mélange des deux. Chrysler s’est risqué en 1994 à mettre au point un premier prototype de voiture à PAC H2. Onze ans après, Mercedes a ajouté à son catalogue la Classe B F-Cell, première voiture à hydrogène de série.
Ainsi, la motorisation à hydrogène a refait surface au début des années 2020. L’un des points forts du moteur à pistons à hydrogène réside dans sa maturité vieille de 150 ans [BE 8 068]. On rappelle que ce n’est pas la technologie des moteurs à pistons ou des machines à flux continu qui est à remettre en cause, mais l’utilisation d’hydrocarbures ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Transitions & Énergies. - Dossier Hydrogène : retour à la réalité, p. 50-58 (2024).
-
(2) - * - https://www.h2-mobile.fr/actus/hydrogene-naturel-canada-max-power-rider-natural-hydrogen-project/
-
(3) - SINAI¨ (A.) - Transport ferroviaire : des pistes pour en finir avec les moteurs diesel. - (2018), https://www.actu-environnement.com
-
(4) - SNCF 2021 - Le train à hydrogène. - https://www.sncf.com/fr
-
(5) - DESMET (B.) - Transport ferroviaire et développement durable. - (2016), https://lms.fun-Mooc.fr
-
(6) - VINCENT (T.) - L’énergie hydrogène est-elle idéale pour les transports maritimes. - (2018), https://www.pole-ocean.fr
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Véhicules automobiles hybrides électriques et leurs motorisations.
-
Piles à combustible appliquées à la mobilité électrique – La mobilité hydrogène.
-
Méthodologies d’implantation de détecteurs fixes de gaz inflammables.
-
De la cinétique chimique élémentaire aux mécanismes cinétiques détaillés.
-
Moteurs thermiques – Moteurs alternatifs de nouvelle génération....
ANNEXES
Chirac (R.), Descombes (G.), Podevin (P.), Dispositif d’alimentation d’une machine thermique à combustion en gaz enrichi en dihydrogène et en dioxygène, WO2012/025672, EP2609309B1, PCT/FR2011/000465.
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
https://www.h2-mobile.fr/actus/engins-speciaux-daimler-mise-combustion-hydrogene/
https://fr.statista.com/statistiques/1373312/plus-gros-producteur-energie-hydroelectrique/
...
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