B) La voiture à hydrogène

Ces véhicules transportent un réservoir de dihydrogène. Ce dernier est transformé en électricité permettant le fonctionnement d'un moteur électrique.

Mais comment? Cela n'est-il pas aussi polluant?

Les piles à combustibles permettent de transformer du dihydrogène en électricité.

En oxydant un combustible (hydrogène) et en réduisant un comburant (l'oxygène), la pile à combustible produit de l'eau et de l'énergie.
Cette pile est constituée de deux électrodes (une anode et une cathode) séparées par un électrolyte permettant le passage de ions.

A l'anode, nous avons donc une oxydation de l'hydrogène: H₂ → 2H⁺ + 2e^-
A la cathode, nous observons la réduction de l'oxygène. Ce dernier capture les ions H+ ayant traversé la membrane électrolyte et le électrons arrivant du circuit extérieur: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

Le bilan global est alors: H₂ + ½O₂ → H₂O

Il existe différents types de piles à combustibles. Les constructeurs automobiles utilisent tous la PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) car elle fonctionne à basse température évitant ainsi un chauffage au préalable.
L'inconvénient de la PEMFC est l'emploi de platine, utilisé comme catalyseur aux électrodes. Ce métal rare coûte très cher.

Fonctionnement d'une pile PEMFC
Source: Connaissance des Energies

Les piles à combustion ont un rendement énergétique de 50%. C'est à dire que la moitié de l'énergie stockée sous forme de dihydrogène pourra être transformée en énergie électrique.

Nous voulions tester réellement cette technologie. Nous nous sommes donc procurés une pile à combustible. Cette dernière nécessite de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'électricité.
L'oxygène de l'air est suffisant mais nous devions produire notre propre hydrogène.
?Pour cela, nous avons élaboré un protocole d’électrolyse de l'eau. Une fois l'hydrogène produit nous l'injectons dans la pile à combustible.

Voici une vidéo de nos résultats:

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PEM Fuel Cell

L'hydrogène est l’élément le plus abondant dans l'univers. Il est cependant très rarement présent à l’état pur sur terre. Il est par exemple associé à de l'oxygène pour former de l'eau (H₂O) ou du carbone (CH₄). Il faut donc l'extraire.

On peut l'extraire de nombreuses façons:

• Soit à partir de gaz naturel (méthane) avec de la vapeur d'eau. Cette méthode industrielle (reformage) est la source de plus de 90% de la production mondiale d'H₂.
  Cette technique de reformage est peu coûteuse mais dégage de grandes quantités de CO₂. Ce n'est donc pas écologique.
• Soit à partir de l'électrolyse de l'eau (constitue 1% de l'hydrogène produit)
• Soit à partir de micro-organismes photosynthétiques (testé au laboratoire)

Utilisant l'électrolyse industrielle, il faut 1 litre d'eau et 5 kWh d'électricité pour produire 1000 litres de dihydrogène (à 0°C et à la pression atmosphérique) contenant 3kWh d'énergie car l'électrolyse a un rendement de 60%.

Pour augmenter la densité d’énergie (3kWh/m³) de l'H₂, nous avons deux choix: soit le comprimer à 700 bars, soit le liquéfier à -253°C.

Le comprimer consomme 15% de l’énergie contenue au départ. Comprimé à 700 bars, sur les 3kWh, il ne reste plus que (3*0.85)=2.55kWh
Refroidir le dihydrogène à -253°C consomme 35% de l'énergie du départ. A la liquéfaction, il reste seulement (3*0.65)=1.95kWh

Nous pouvons en conclure qu'après avoir transformé le dihydrogène sous forme transportable, il nous reste seulement 45% de l'énergie initiale. 
La transportation et la consommation contribuent à encore plus de pertes.

Il y a deux manières d'utiliser l'H₂ dans des véhicules:

• Soit on utilise directement l'H₂ dans un moteur à combustion classique (comme avec l'essence) qui a un rendement de 25%
• Soit on transforme l'H₂ en électricité dans une pile à combustible pour faire tourner un moteur électrique. Cette méthode a un rendement de 50%

Il serait plus rentable (en terme d’énergie) d'utiliser une Pile à Combustion(PAC). Mais une PAC est très cher. Il est donc plus rentable économiquement de brûler l'H₂ dans un moteur à combustion.

Dans tous les cas, il faut stocker l'H₂ dans un véhicule.
Le dihydrogène liquide est énergétiquement plus dense mais sa liquéfaction nécessite beaucoup plus d'énergie que la compression du  dihydrogène à 700 bars.

Par ailleurs, conserver l'H₂ liquide à -253°C ne s'effectue pas sans pertes. Malgré un réservoir avec de l'isolation, le dihydrogène s'évapore. Nous avons donc 1 à 5% de pertes par jour. En 15 jours, la moitié du réservoir peut s'évaporer.

Il serait donc préférable de choisir l'H₂ comprimé à 700 bars.

L'H2 n'est pas dense. Cela signifie (même en le comprimant à 700 b), que son réservoir, non seulement doit être épais pour résister à la pression mais aussi très grand. Le réservoir est donc très lourd. 

Toyota FCV Mirai - Le réservoir est jaune au milieu

Pour l'hydrogène liquide, il faut rajouter l'épaisseur importante de l'isolation.

Malgré tout ces inconvénients, le dihydrogène présente des avantages le rendant attractif:

• 1kg d'hydrogène libère trois fois plus d'énergie qu'un kg d'essence
• Contrairement à l'électrique, le dihydrogène est plus rapide à recharger
• Les rejets d'un véhicule à dihydrogène sont composés uniquement d'eau

?Il existe aujourd'hui des tramways, des bus, des voitures et même un navire:

Energy Observer - Bateau naviguant à l'aide de dihydrogène et batteries

Ces arguments sont très généralement employés par les médias. Mais ils prennent rarement en compte toutes les difficultés. 

L'électricité solaire ou éolienne n'est pas constante. Elle n'est pas toujours disponible quand on en a besoin et inversement.

Demande et production d'énergie solaire

Une solution à ce problème serait de stocker ce surplus d'énergie. Comme ceci:

L'énergie peut être conservée dans des batteries au lithium mais ce serait moins polluant sous forme d'hydrogène.

Ce carburant pourrait directement être utilisé dans des véhicules ou transformé en électricité lorsque nécessaire.

Energie pouvant être stockée en vert

Le dihydrogène est difficile à manier, à transporter et à stocker ce qui le rend peu pratique et très coûteux à exploiter. Mais s'il est produit avec des énergies renouvelables, il ne pollue presque pas. C'est donc un carburant écologique mais qui nécessite encore un développement pour être employé dans des véhicules.

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