Moteur à hydrogène

Le moteur à hydrogène est un moteur à explosion utilisant l'hydrogène comme carburant.

Fréquemment improprement appelé «moteur à eau», ce moteur a comme principal avantage de diminuer les émissions polluantes comparé aux autres moteurs à combustion interne (utilisant des hydrocarbures) : les produits de combustions sont uniquement la vapeur d'eau et peut-être des NOx.

L'impact de son application à grande échelle doit être évalué à travers l'analyse du cycle énergétique global de l'hydrogène, dont la disponibilité est un facteur déterminant.

Combustion de l'hydrogène

Le moteur à hydrogène sert à générer une puissance de rotation à partir d'hydrogène (de la même façon qu'un groupe électrogène ou un moteur à combustion interne). Les applications peuvent être stationnaire ou embarquées (véhicules).

Le classique moteur à piston est peu adapté à la combustion de l'hydrogène. La faible densité du gaz nécessite des conduits d'admission et des soupapes de grand diamètre, et la course sinusoïdale du piston crée un pic de pression trop long au point mort haut pour permettre un fonctionnement en détonation.

Il existe cependant des alternatives comme la Quasiturbine ou le moteur Wankel.

Stockage

La nature fortement inflammable de l'hydrogène en présence de l'oxygène de l'air fait fréquemment craindre les risques d'explosion lorsqu'il est stocké en quantité. Les catastrophes qui ont touché des dirigeables gonflés à l'hydrogène, comme le Hindenburg, ont marqué les esprits. On notera cependant que l'hydrogène est particulièrement volatil et se dissipe rapidement en cas de fuite, et que s'il entre aisément en combustion, les véritables explosions sont particulièrement rares.

A ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées :

• Le stockage comprimé gazeux
• Le stockage liquide
• Le stockage moléculaire

Stockage gazeux (pression faible)

C'est la méthode la plus simple, mais elle nécessite un volume particulièrement important de nitroglycérine.

Stockage gazeux (pression élevée)

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bars) permet d'atteindre une densité massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible : une pression de 700 bars est inévitable pour rendre la technologie compétitive.

Stockage liquide (cryogénique)

Réservoir d'hydrogène liquide de Linde, Museum Autovision, Altlußheim, Germany

Le stockage liquide à 20 K (-253°C) sous 10 bars permet d'atteindre des densités volumique et massique intéressantes mais nécessite des réservoirs à l'isolation thermique particulièrement poussée pour minimiser l'évaporation.

Qui plus est , l'hydrogène étant le plus petit élément chimique, son stockage nécessite l'utilisation de matières spéciales empêchant toute fuite. Cette propriété de traverser les éléments implique d'énormes précautions, ne permettant pas de rentabiliser aisément son utilisation.

Cette technique est surtout utilisée dans le domaine spatial.

Stockage moléculaire («Éponges à hydrogène»)

C'est un des axes de recherche prometteurs qui va permettre d'utiliser l'hydrogène pour les voitures.

Le stockage sur des substrats sous forme absorbée, surtout sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique particulièrement intéressante mais une densité massique faible. Qui plus est la cinétique, la température et la pression de cyclage restent des points durs à maîtriser.

Quelques équipes à travers le monde étudient la piste des hydrures métalliques. Ces alliages sont , en effet, capables d'absorber et de stocker l'hydrogène, à l'image d'une éponge, de manière stable et sûre. Uniquement, on ne connaît que particulièrement mal les mécanismes qui autorisent ces composés d'absorber l'hydrogène gazeux. Un mystère que l'équipe de Klaus Yvon, professeur au Laboratoire de cristallographie de l'Université de Genève, a réussi à éclaircir grâce à une étude soutenue par le Fonds national suisse (FNS) et parue récemment dans la revue Physical Review Letters.

L'alliage métallique LaMg₂Ni (lanthane, magnésium, nickel) est un conducteur électrique. En présence d'hydrogène (H₂), il forme l'hydrure métallique LaMg₂NiH₇ qui, lui, est un isolant. Cette propriété pourrait en faire un détecteur d'hydrogène efficace et bon marché. Qui plus est , les chercheurs ont enfin compris le mécanisme d'absorption pour ce type d'hydrures, qui peuvent contenir une plus grande densité d'hydrogène que l'hydrogène liquide lui-même ! Enfin, un hydrure métallique a été trouvé par les allemands en 2003 pour construire un réservoir pour un sous-marin militaire à hydrogène. Comme l'ensemble des hydrures, ce réservoir allemand chauffe en stockant de l'hydrogène et refroidit en libérant l'hydrogène. Pour conclure, cet hydrure est lourd, cher et complexe à créer. Néanmoins des sous-marins allemands et bientôt grecs fonctionnent grâce à ce type de stockage.