lundi 19 mars 2012

Véhicules à hydrogène

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Vecteurs d’énergie : hydrogène et/ou électricité

La nécessité de réduire les émissions de CO2 s’ajoutant à la raréfaction des carburants liquides ou gazeux pose le problème du remplacement à moyen ou long terme des carburants actuels : essence, gazole, GPL. Ces derniers sont des énergies primaires, c'est-à-dire disponibles dans la nature, directement utilisables après raffinage, dans les moteurs thermiques des automobiles. Comment les remplacer ?

Une solution possible, mais limitée et contestée non sans raisons, est le recours au bioéthanol ou au biodiesel issus de l’agriculture. Nous n’en traiterons pas ici.

A défaut d’hydrocarbures, les énergies primaires restant disponibles sont :
  • Le charbon et le lignite, dont l’utilisation est très émettrice de CO2, qui servent pour une large part à produire de l’électricité.
  • La biomasse et les déchets, chimiquement proches du charbon à ceci près qu’étant renouvelables, leur émission de CO2 est compensée par leur renouvellement qui fixe la même quantité de CO2.
  • L’énergie hydraulique, importante mais de très faible potentiel d’accroissement en France pour des raisons géographiques, immédiatement convertie en électricité pour pouvoir être transportable,
  • L’énergie nucléaire thermique, pratiquement illimitée, mais souvent fortement contestée,  elle aussi immédiatement convertie en électricité pour la même raison,
  • L’énergie éolienne, très marginales, également contestée, toujours convertie en électricité, mais surtout « fatale » en ceci que l’on ne maîtrise pas sa survenance ou son absence dues au vent,
  • L’énergie photovoltaïque, électrique par nature et anecdotique, ou solaire thermique, à l’état de projet, tout aussi fatales, et même le plus souvent à contre-cycle,
  • L’énergie géothermique qui, malheureusement, n’est en France que rarement disponible, et ce à une température trop basse pour pouvoir être facilement utilisée pour de la production électrique.
L’électricité est donc le premier et le principal vecteur d’énergie : elle n’existe pas à l’état natif (si ce n’est dans la foudre, difficile à utiliser !). Elle a presque toutes les qualités, sauf une : elle est très difficile de la stocker. A l’échelle d’un réseau, la capacité des batteries est insignifiante et hors de prix. Ce qui n’a que peu d’inconvénient pour les consommateurs reliés à un réseau devient très problématique quand cette énergie est destinée à un véhicule automobile, ou pire, à un avion.

On a donc recherché quels vecteurs pourraient remplacer les carburants des véhicules et avions, ou même permettre de stocker l’énergie d’un réseau de distribution électrique.

Si on élimine tous les produits contenant du carbone pour les raisons figurant dans l’introduction,  et que l’on se limite à des produits liquides ou gazeux, la liste se réduit très vite et on arrive à l’hydrogène, qui peut être envisagé sous deux formes :
  • L’hydrogène H2
  • L’ammoniac anhydre NH3, à éliminer tout de suite (toxique, faible pouvoir calorifique et sa combustion produit des oxydes d’azote).

D’où vient l’hydrogène ?

Pour des raisons de coût de l’énergie électrique, il ne vient pas de l’électrolyse à froid d’une solution alcaline telle qu’on la montre dans l’enseignement. Cinq procédés principaux sont utilisables :
  1. Le vaporeformage du méthane selon la réaction endothermique (= qui absorbe de la chaleur) aboutissant à : CH4 + 2 H20 -->; CO2 + 4 H2  . Le méthane utilisé ne fournit que le ½ de l’hydrogène produit, le reste venant de l’eau : il y a un « effet de levier » d’un facteur 2.
  2. L’oxydation partielle d’hydrocarbure fait appel à de l’oxygène pur, selon la réaction exothermique suivante, établie pour du méthane : 2 CH4 + O2 + 3 H20 -->; 2 CO2 + 6 H2. Le méthane fournit les de l’hydrogène : l’effet de levier est réduit à 1,5.
  3. Le reformage autothermique est une combinaison des deux précédentes, thermiquement neutre : 3 CH4 + O2 + 4 H20 -->; 3 CO2 + 10 H2  . Le méthane fournit les 3/5 de l’hydrogène : l’effet de levier est de 1,67
  4. Par le cycle iode / soufre en trois réactions successives à températures élevées (200 à 900°C) qui aboutissent à :  H2O -->; H2 + ½ O2. Tout l'hydrogène vient de l'eau.
  5. Par électrolyse d’acide sulfureux (H2 SO3) selon cycle de Westinghouse à chaud aboutissant à :  H2O --> H2 + ½ O2 . Comme précédemment, tout l'hydrogène vient de l'eau.
Les 3 premiers procédés ont le gros inconvénient pour l’avenir d’utiliser pour une part l’hydrogène du méthane, donc une ressource fossile dont il faudra précisément à se passer un jour ! Les procédés 1, 4 et 5 nécessitent un apport de chaleur extérieure qui pourrait être nucléaire primaire, à condition d’installer cette opération près d’une centrale, et d'accepter cette énergie pour l'avenir. L’énergie électrique secondaire produit par la centrale nucléaire pourrait être utilisée pour le 5ème procédé, sous la même condition.

L’évolution du prix d’achat du méthane, du prix de revient de la chaleur nucléaire primaire disponible à une température suffisante, et du prix de vente de l’hydrogène pouvant se substituer aux carburants actuels, déterminera la part relative de ces différents procédés. Il doit être clair que cette substitution ne sera viable qu’avec des prix des hydrocarbures largement supérieurs aux prix actuels, mais, n’en doutons pas, cette condition se réalisera un jour !

L’hydrogène

Il a des qualités considérables :
  • disponible sous forme d’eau H2O en quantité illimitée,
  • pouvoir calorifique extrêmement élevé : 120 MJ/Kg, à comparer aux hydrocarbures (44 MJ/Kg),
  • sa combustion n’émet que de la vapeur d’eau, neutre, non polluante,
  • peut être utilisé dans une pile à combustible qui produit de l’énergie électrique avec un rendement significativement supérieur à celui d’un moteur thermique à combustion interne, mais très loin des 100%.
Mais aussi quelques sérieux inconvénients :
  • A l’état gazeux, sous la pression atmosphérique :
    • sa masse volumique n’est que de 89 g/m3, soit 10 MJ/m3,
    • à comparer avec le gaz naturel « G20 » (méthane) à 37,8 MJ/m3
    • ou avec le GPL « G31 » (propane) à 95,6 MJ/m3. 
Il faut donc le comprimer pour réduire son volume, jusqu’à des pressions très élevées de 700 bars, voire 1400 bars, qui réduisent le volume du facteur d’augmentation de la pression, mais qui augmentent le poids du réservoir dans des proportions considérables de l’ordre de 2,5 kg par litre à 700 bars ou 5 kg/litre à 1400  bars, soit, dans les deux cas, 5 kg de réservoir pour 125 g d’hydrogène, un facteur 40 !
  • A l’état liquide :
    • L’hydrogène bout à -253°C (20°K). Sa masse volumique est très basse, 71 kg/m3, 11 fois  inférieure à celle de l’essence. Le réservoir doit rester ouvert pour permettre l’évacuation de l’hydrogène gazeux, ce qui impose de le stocker à l’air libre. Sa liquéfaction est difficile et énergivore. Par comparaison :
    • Le méthane bout à -162°C (111°K). Sa masse volumique est de 423 kg/m3. Sa liquéfaction est plus facile, mais pas gratuite. Pour lui aussi, le réservoir doit rester ouvert.
    • Le propane bout à -42°C (231°K) à la pression atmosphérique, mais reste liquide sous une pression de  8 à 10 bars à température ambiante. Sa masse volumique est de 510 kg/m3. On peut donc le stocker dans un réservoir clos sous une pression raisonnable.
Seul le propane est utilisable à l’état liquide à température ambiante dans un véhicule routier. Les autres ne peuvent être utilisés qu’en l’état de gaz comprimé.

L’hydrogène utilisé en vecteur d’énergie doit donc être utilisé :
  • Dans un véhicule routier, en l’état de gaz comprimé à 700 ou 1400 bars dans un réservoir (hypothèse : fibre de verre et résine époxy) qui pèse 100 kg pour 2,5 kg d’hydrogène équivalents à 7,1 kg de gazole, avec un avantage supplémentaire de rendement de l’ordre de 40%, soit 10 kg de gazole si l’hydrogène est utilisé dans une pile à combustible. Son autonomie sera limitée par la masse du réservoir !
Additif du 28 septembre 2013: Les chiffres pessimistes ci-desssus se trouvent confirmés par un communiqué trimphant de GM publié le 26 mai 2014, qui a testé 30 Opel HydroGen4 qui "ont fait plus de 2700 fois le plein d'hydrogène et ont parcouru 350000 km" en Allemagne. Ces véhicules ont donc parcouru en moyenne 350000 km / 30 = 12700 km : aucun conclusion ne peut en être tirée sur la longévité des piles à combustible. L'autonomie moyenne pratique de ces véhicules a été de 350000 km / 2700 pleins = 130 km, à peine supérieure à celle d'un véhicule électrique. On est loin de performances qui justifieraient le coût de l'hydrogène qui, selon toutes les hypothèses, restera très élevé, et l'investissement colossal dans le déploiement du réseau correspondant.
  • Dans un avion dont on fait le plein d’hydrogène liquide juste avant le décollage dans des réservoirs 4,4 fois plus grands, mais dont le contenu sera malgré tout 3 fois plus léger, par rapport au kérosène.
Les architectures de véhicules à hydrogène

1- Hydrogène – électrique : Réservoir haute pression d’hydrogène comprimé + pile à combustible + moteur électrique. La pile à combustible améliore le rendement qui pourrait atteindre 50% au lieu de 40% pour un moteur thermique. Un réservoir de 200 kg, contenant 5 kg d’hydrogène, ici équivalents à 23 litres de gazole assurant une autonomie sur autoroute de 300 km, est un minimum. Le développement, le coût et la maintenance de la pile à combustibles sont encore des inconnues majeures et nécessitent des investissements considérables.

2- Mixte électrique : Réservoir haute pression d’hydrogène comprimé + pile à combustible + batterie + moteur électrique. Cette architecture qui diffère de la précédente par l’adjonction d’une batterie également très lourde, aboutit à réduire l’autonomie à poids égal, mais sa mixité permet deux types de recharge : on peut penser que les bornes de recharge électriques, plus faciles à installer et reliées à un réseau électrique existant, seront plus nombreuses que les stations service à hydrogène. La recharge électrique est en revanche beaucoup plus lente. Il est peu probable que cette architecture se développe.



3 -Hydrogène thermique : Réservoir haute pression d’hydrogène comprimé + moteur thermique. Un réservoir de 200 kg est ici équivalent à seulement 16 litres de gazole, inférieure à celle de l’architecture 1 à cause du moindre rendement du moteur thermique. Elle a néanmoins l’énorme avantage d’un développement simple et peu coûteux : le moteur est peu différent d’un moteur au GPL, lui-même très proche d’un moteur à essence. 


4 - Mixte thermique : Réservoir haute pression d’hydrogène comprimé + réservoir basse pressions de GPL + moteur thermique. Il ne diffère de l’architecture 3 ci-dessus que par l’adjonction d’un réservoir supplémentaire de GPL (liquide, comme son nom l’indique, sous une pression modérée), qui intervient comme prolongateur après épuisement de l’hydrogène. Un double dispositif d’alimentation en gaz permet au moteur fonctionner indifféremment avec l’un ou l’autre. Rien ne s’oppose à un réservoir de GPL assurant une autonomie assez importante, par exemple 50 litres équivalents à 30 litres de gazole. Moins « verte » que les précédentes, puisqu’elle recourt encore au gaz de pétrole en prolongateur, cette architecture est la plus probable dans l’hypothèse « hydrogène », comme facile à développer et acceptable pour l’utilisateur. Elle pourrait aussi se faire à l’essence, mais avec moins d’éléments communs (Essence en injection directe, alors que le gaz est aspiré par dépression dans un venturi). 

5 - Hydrogène – Trolley : Identique aux architectures 1 ou 2, avec adjonction d’un trolley pour connexion aux lignes aériennes d’autoroutes électrifiées.  L’autonomie autoroutière est illimitée grâce au trolley qui fournit l’énergie de propulsion et peut en plus recharger la batterie (cas 2). Mais l’hydrogène et son indispensable pile à combustible sont-il encore justifiés ?