D'un point de vue technique, son fonctionnement repose sur l'utilisation de l'hydrogène comme combustible primaire, qui constitue une source d'énergie très efficace et respectueuse de l'environnement.
L'hydrogène est l'élément chimique le plus léger et le plus abondant de l'univers. Son contenu énergétique élevé et sa capacité à générer de l’énergie électrique par des processus d’oxydation en font une option intéressante pour la propulsion des moteurs.
Dans le cadre des moteurs à hydrogène, il existe principalement deux types de technologies : les piles à combustible à hydrogène et les moteurs à combustion interne à hydrogène.
Piles à combustible à hydrogène
Les piles à combustible à hydrogène sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l’énergie chimique de l’hydrogène et de l’oxygène en énergie électrique et en eau, sans générer d’émissions polluantes. Ces batteries fonctionnent grâce à une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène de l’air, dans laquelle de l’électricité, de la chaleur et de l’eau sont produites comme sous-produits.
Ce processus est réalisé dans une structure composée de cellules individuelles, où chaque cellule contient une anode, une cathode et un électrolyte. L'hydrogène entre en contact avec l'anode, tandis que l'oxygène de l'air réagit au niveau de la cathode, générant des électrons qui sont dirigés vers un circuit externe, produisant de l'électricité qui alimente le moteur électrique du véhicule.
Les véhicules utilisant des moteurs à pile à combustible à hydrogène sont considérés comme des voitures électriques.
Comparaison avec les véhicules électriques conventionnels
Les voitures électriques à batterie stockent l’électricité dans une batterie rechargeable, qui est chargée en la connectant à une source d’électricité externe, telle qu’une prise ou une station de recharge.
D’autre part, les voitures à pile à hydrogène ne stockent pas d’électricité directement dans une batterie, mais produisent de l’électricité à bord à partir de l’hydrogène stocké dans le véhicule, grâce à la réaction électrochimique dans la pile à combustible.
Moteurs à combustion interne à hydrogène
D’un autre côté, les moteurs à combustion interne à hydrogène fonctionnent de la même manière que les moteurs à combustion interne conventionnels, mais au lieu d’utiliser de l’essence ou du diesel comme carburant, ils utilisent de l’hydrogène.
Ces moteurs brûlent de l'hydrogène en présence d'oxygène dans l'air, générant de la chaleur et dilatant les gaz résultants pour entraîner un piston. Contrairement aux moteurs à combustion conventionnels, les moteurs à hydrogène n’émettent pas de gaz à effet de serre, puisque le seul sous-produit de la réaction est l’eau.
Cycle de Brayton
Les moteurs à combustion interne à hydrogène utilisent un cycle thermodynamique similaire aux moteurs à combustion interne conventionnels, tels que les moteurs à essence ou diesel.
Ce cycle est connu sous le nom de cycle de Brayton, également appelé cycle des gaz parfaits, et comprend quatre processus principaux : l'admission, la compression, la combustion/détente et l'échappement. Cependant, dans le cas des moteurs à hydrogène, des différences significatives apparaissent en raison des propriétés uniques de l’hydrogène en tant que carburant.
- Admission : Dans cette première étape, un mélange d’hydrogène et d’air est introduit dans le cylindre du moteur. Contrairement aux moteurs à essence, dans lesquels l’air est mélangé à un carburant liquide, dans les moteurs à hydrogène, l’hydrogène gazeux est injecté directement dans le cylindre. L'hydrogène est mélangé à l'air dans des proportions appropriées pour permettre une combustion efficace.
- Compression : Une fois que le mélange d’hydrogène et d’air est entré dans le cylindre, le piston se déplace vers le haut, comprimant le mélange. Ce processus augmente la température et la pression à l’intérieur du cylindre, préparant ainsi le mélange à la combustion.
- Combustion/Expansion : Dans cette étape, la combustion de l'hydrogène et de l'air comprimé commence à l'aide d'une étincelle générée par les bougies d'allumage du moteur. La réaction chimique entre l'hydrogène et l'oxygène dans l'air produit de la chaleur et dilate les gaz résultants, poussant le piston vers le bas et générant de l'énergie mécanique. Contrairement aux moteurs à essence, où le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau sont produits comme produits de combustion, dans les moteurs à hydrogène, le seul produit de combustion est l’eau.
- Échappement : Une fois le processus d'expansion terminé et que le piston a atteint son point le plus bas, les gaz d'échappement sont expulsés du cylindre vers le système d'échappement du véhicule. Ces gaz sont principalement constitués de vapeur d'eau, ainsi que de petites quantités d'autres produits de combustion, tels que des oxydes d'azote (NOx) en très faibles quantités.
Stockage et distribution d'hydrogène
Quel que soit le type de technologie utilisé, le stockage et la distribution d’hydrogène sont des aspects critiques à prendre en compte dans le fonctionnement d’un moteur à hydrogène. L’hydrogène étant un gaz hautement inflammable et de faible densité sous sa forme naturelle, son stockage et son transport nécessitent des technologies spécifiques, comme la compression ou la cryogénisation.
De plus, les infrastructures de recharge doivent être suffisamment développées pour garantir un approvisionnement efficace et sûr en hydrogène aux véhicules équipés de ce type de moteur.
Efficacité énergétique
En termes d’efficacité, les moteurs à hydrogène ont le potentiel de surpasser les moteurs à combustion interne conventionnels et, dans certains cas, même les véhicules électriques à batterie.
En effet, l’énergie spécifique de l’hydrogène est considérablement supérieure à celle des combustibles fossiles, ce qui permet une densité énergétique plus élevée et donc une autonomie plus longue.