La voiture du futur, les alternatives aux carburants, par Daphnée Dosière et Maxime Szymutko

Table des matièresIntroduction.......................................................................................................................................2

Les voitures électriques................................................................................................................3

Introduction...................................................................................................................................3

Piles, accumulateurs et batteries...........................................................................................3

Les 5 défis de la batterie.................................................................................................................5

Energie solaire..............................................................................................................................6

L’hydrogène.......................................................................................................................................7

Introduction...................................................................................................................................7

Production de l’hydrogène.......................................................................................................7

Les combustibles fossiles................................................................................................................8

L’eau.............................................................................................................................................11

Utilisation sous forme de pile................................................................................................15

Electrolyte acide...........................................................................................................................15

Electrolyte basique.......................................................................................................................15

Utilisation sous forme de combustible...............................................................................17

Stockage de l’hydrogène...............................................................................................................18

Autres défis technologiques et sociopolitiques.............................................................................20

Conclusion générale.................................................................................................................21

La voiture hybride.........................................................................................................................22

Introduction..................................................................................................................................22

Fonctionnement.........................................................................................................................22

Les biocarburants..........................................................................................................................23

Introduction..................................................................................................................................23

Transformation de la biomasse............................................................................................23

Conclusion......................................................................................................................................255

Bibliographie.................................................................................................................................266

1

La voiture du futur, les alternatives aux carburants

Introduction 

Le futur nous réserve de nombreux défis technologiques, tant en matière d’écologie que de gestion d’énergie. En effet, le pétrole se faisant rare, sans la découverte de nouveaux gisements nous devrons nous passer de celui-ci d’ici une cinquantaine d’année au rythme de la consommation actuelle. Même si de nouvelles sources seraient découvertes, la combustion du pétrole entraine une trop grande augmentation du CO2 dans l’atmosphère pour que le problème soit négligé. Bien que quelques scientifiques soient encore rétissants, la plupart s’accordent à dire que le réchauffement climatique global est bien existant et dû en grande partie à la production de CO2. Il est donc indispensable de trouver des alternatives pouvant, à terme, remplacer totalement les carburants.

Les recherches sont nombreuses et chaque solution proposée a ses avantages et ses inconvénients. Nous pouvons déjà remarquer dans la vie de tous les jours les avancées de ces recherches. Nous voyons progressivement l’apparition de véhicules hybrides ainsi que des véhicules de moins en moins consommateurs et rejetant moins de CO2

comme nous le font remarquer la plupart des publicités. Cependant, ces solutions ne permettent pas de combler totalement le problème car elles ne font que diminuer la consommation des hydrocarbures. Ces progrès bien que, assez importants, ne peuvent pas être considérés comme suffisants à long terme.

D’autres recherches sont en cours, notamment les voitures électriques mais également des voitures fonctionnant grâce à des moteurs à eau. Bien que représentant des solutions ni polluantes ni consommatrices en hydrocarbure à première vue, la production de l’énergie pour ces véhicules entraine une utilisation d’énergie non négligeable, sachant qu’une bonne partie des centrales actuelles sont des centrales utilisant la combustion d’hydrocarbures. Le problème est donc déplacé ailleurs.

D’autres solutions vous seront développées avec notamment l’utilisation de l’énergie solaire, de piles et d’autres procédés ne

2

consommant pas d’hydrocarbures et qui pourraient permettre, à terme, de faire avancer nos véhicules.

Les voitures électriquesIntroduction

Contrairement à ce qu’on pourrait penser, la voiture électrique n’est pas une « nouvelle technologie ». En effet, sa création date de la fin du XIXème siècle (années 1880), ce qui correspond à peu près à celle du véhicule à essence. Il y a deux moyens pour obtenir cette énergie électrique : par le biais de piles, de batteries ou par énergie solaire.

Cette méthode de remplacement parait être la solution idéale pour régler tous les problèmes de pollution. Les voitures électriques ont la particularité de ne rejeter aucun gaz, ni aucune particule quelle qu’elle soit. De plus, le rendement est largement supérieur à celui des voitures que nous employons pour le moment, il peut dépasser les 90% contre à peine 35-40% pour les autres.

Malheureusement tout n’est pas aussi rose qu’on pourrait le croire, c’est pourquoi les recherches continuent.

Dans cette partie du travail nous aborderons donc les différentes méthodes pour obtenir de l’électricité ainsi que les avantages et inconvénients que nous rencontrons avec ce moteur électrique.

Piles, accumulateurs et batteries

Avant toute chose, quelques notions théoriques :Dans un système électrochimique, les réactions chimiques se produisent

aux électrodes.

Ces réactions permettent de produire ou d’absorber les électrons qui circulent dans le circuit électrique. Il s’agit d’oxydoréductions ou plus communément appelé : redox.

Le constituant qui perd un ou des électrons durant la réaction s’oxyde. Contrairement, celui qui gagne les charges négatives se réduit. L’électrode où se produit l’oxydation est appelée anode. La réduction se fait à la cathode.

3

Les électrons partent de l’anode, passent par le générateur pour arriver à la cathode.

Cependant les électrodes ne peuvent accumuler les charges électriques. C’est pourquoi le circuit est « bouclé » et l’électricité circule au sein du générateur. Cela s'effectue dans un composé, le plus souvent liquide, appelé électrolyte où se déplacent des ions.

Les électrodes ne sont pas en contact, sinon les ions ne passeraient pas par le circuit extérieur et le générateur serait en court-circuit. On empêche cela en utilisant un séparateur. Il faut que ce dernier ne conduise pas les électrons, qu’il soit donc isolant, mais qu’il permette le passage des ions par des trous dans sa structure.

En résumé, un générateur électrochimique ressemble à ceci : 1

Passons maintenant à la pratique. Il faut savoir qu’il existe de nombreuses sortes d’accumulateurs. L’accumulateur au plomb est l’un des principaux. Il est plus connu sous l’appellation de batterie au plomb. Il s’agit tout simplement d’un système au plomb-acide. Effectivement, les réactions chimiques mises en jeu impliquent l’oxyde de plomb, qui constitue la cathode ainsi que le plomb qui lui correspond à l’anode. Ces deux électrodes sont plongées dans une solution d’acide sulfurique. Les réactions employées vont transformer le plomb et l’oxyde de plomb en sulfate de plomb ainsi qu’en eau

PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O

L’avantage avec les moteurs électriques (voir aussi voiture hybride) c’est que le moteur devient un générateur qui permet de recharger la batterie. Pour cela, les réactions doivent être inversées. Cela donne donc :

PbSO4 + 2H2O → PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e-

1Source de l’image: http://74.125.77.132/search?q=cache:oXetulgphp4J:www.poweron.ch/upload/cms/user/67pilesetaccumulateurs.pdf+accumulateur+nickel+cadmium&cd=3&hl=fr&ct=clnk&gl=be

4

Cependant, vu que ces réactions ne se font pas instantanément, il faut faire agir un courant électrique.

Malheureusement ces installations au plomb ont quelques inconvénients : le poids, la fragilité, l’utilisation d’un électrolyte corrosif… Suite à cela, des accumulateurs alcalins sont apparus. Ceux-ci ont une plus grande capacité mais leur force électromotrice est moindre. Il s’agit d’accumulateurs au nickel-cadmium, au zinc-nickel ainsi qu’à l’oxyde d’argent. L’électrolyte est alors remplacé par de la potasse (KOH).

La réaction globale qui s’effectue au sein de l’accumulateur nickel-cadmium s’écrit comme ceci : 2NiOOH + Cd + H2O → 2Ni(OH)2 + CdO La pile à l’oxyde d’argent peut être combinée à du zinc, de cadmium ou du fer. La première a comme réaction globale : Ag2O + Zn → 2Ag + ZnO

Il y a bientôt 20 ans, deux nouvelles filières technologiques sont apparues : accumulateur nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium. Dans ce dernier, le lithium part de l’électrode négative sous forme d’ions Li+. Ils passent par

l’électrolyte pour arriver à l’électrode positive composée d’oxyde de lithium (noté MLi dans le schéma). Le passage d’un ion de lithium dans le circuit interne est compensé par le 2passage d’un électron dans le circuit externe. Ceci génère donc un courant électrique. Comme le lithium est le plus réducteur des métaux, les systèmes électrochimiques dans lequel il apparaît peuvent atteindre des tensions de 4V. Ce qui n’est pas négligeable comparé aux autres systèmes, qui eux ne dépassent généralement pas les 1.5V.

Les 5 défis de la batterie

Le défi de l’autonomie

Pour cela il faudrait que l’électrode positive soit chimiquement plus stable pour lui permettre de stocker davantage de charge.

2 Source de l’image: CLEFS CEA n°50/51 Hiver 2004-2005

5

Le défi de la charge

Le temps qu’il faut pour charger la batterie est extrêmement long : 5 à 8 heures. Certaines électrodes, en graphite par exemple, supporte mal un chargement trop rapide. La solution ? Changer cette électrode, mais par quoi… ?

Le défi de la matière première

Il n’est pas toujours évident de trouver la matière première employée pour certaines piles…

Le défi du coût

Certaines matières utilisées pour les piles, comme le cobalt, coûtent extrêmement cher. Il faudrait le remplacer par du phosphate de fer, par exemple.

Le défi du recyclage

Les substances les plus coûteuses doivent impérativement être récupérées. De ce fait on utilise moins de matière première, ce qui réduira donc l’addition.

Energie solaire

Pour une voiture à énergie solaire, l’électricité provient donc du soleil. Mais comment transformer la lumière provenant des rayons en énergie électrique ? Il faut pour cela utiliser des cellules solaires. L’effet photovoltaïque de ces dernières permet de convertir directement l’énergie lumineuse grâce à la production et le transport de charges électriques positives et négatives à travers un matériau semi-conducteur. Ce matériau est divisé en deux parties : une, dite : dopée de type n où les électrons sont en excès, l’autre dopée de type p où les électrons sont donc en déficit. Lorsque l’on met en contact les deux zones, on crée une jonction PN (positive-négative). Lorsque ce lien est éclairé, les photons3 communiquent leur énergie aux atomes. Les électrons bougeant ainsi créent des trous qui peuvent également se mouvoir. Il y a donc création de paires électron-trou. Si

3 Photon : quantum d’énergie d’un rayonnement électromagnétique. Particule élémentaire sans masse ni charge électrique associée à un tel rayonnement (lumière visible, infrarouge, ultraviolet, gamma ou X suivant son énergie)

6

on place une charge sur le bord de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p créant une différence de potentiel : il y a passage de courant électrique. Tout ceci a lieu grâce au dopage du matériau semi conducteur. Nouvelle question : comment doper un matériau ? Prenons par exemple une cellule en silicium. Cet élément possède44 électrons de valence qui sont tous employés pour les liaisons covalentes entre chaque atome. Si l’on remplace un atome de silicium par un atome de phosphore qui lui possède 5 électrons sur sa couche périphérique. Quatre d’entre eux participeront aux liaisons avec les atomes de silicium entourant le phosphore tandis que le dernier sera libre de se mouvoir à travers le cristal, le matériau est alors dopé de type n. Si au contraire, nous remplaçons un atome de silicium par du bore, ce dernier n’ayant que 3 électrons de valence, il lui en manque un pour participer aux liaisons. Un électron d’un autre atome peut venir combler ce trou en créant un autre ailleurs, le matériau est alors dopé de type p.

Ce type d’énergie devrait cependant avoir de lourdes difficultés à s’imposer dans un véhicule au vu des grosses difficultés rencontrées :

- La surface nécessaire pour fournir une énergie suffisante pour faire avancer le véhicule est énorme comparée à la taille de celui-ci. Il faudra donc obtenir un rendement bien meilleur de la part des cellules photovoltaïques.

- Le prix actuel des panneaux photovoltaïques est actuellement bien trop élevé tandis que la durée de vie de ceux-ci est trop faible pour permettre l’emploi de cette technologie pour une utilisation destinée au grand public.

L’hydrogène

4 Source de l’image : CLEFS CEA n°50/51 Hiver 2004-20057

5

Introduction

L’utilisation de l’hydrogène comme énergie semble être une solution avantageuse du point de vue du particulier. En effet, son utilisation aussi bien comme combustible que sous forme de pile offre un grand rendement énergétique et du point de vue environnemental son impact est nul. En effet, lors de son utilisation le seul rejet occasionné est de l’eau.

Cependant, malgré ses nombreux avantages, il faut ajouter quelques bémols quant à son utilisation. Dans ce chapitre consacré à l’hydrogène nous nous emploieront à vous décrire les difficultés rencontrées par ce type d’énergie avant qu’il ne puisse s’imposer dans notre vie de tous les jours ainsi que la façon dont l’hydrogène est utilisé dans le véhicule.

Production de l’hydrogène

Avant d’aborder la façon dont on utilise l’hydrogène il serait plus judicieux de savoir d’où il provient. En effet, l’hydrogène est quasiment inexistant sous sa forme diatomique, celle-là même qui est employée par les moteurs. L’hydrogène porte donc le nom de vecteur énergétique car ce n’est pas une matière première. En fait, nous devons fabriquer cet hydrogène à partir d’autres molécules le contenant. Il existe un grand nombre de méthode permettant d’obtenir cet hydrogène, dans la plupart des cas issu de l’eau ou de combustibles fossiles.

5 Source de l’image : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Motor_Hydrogen_7.JPG

8

Les combustibles fossiles

La principale origine actuelle est celle des combustibles fossiles. Si l’hydrogène devenait une énergie prédominante dans notre société ce serait certainement par cette voie qu’il serait produit du moins dans un premier temps. Les autres technologies ne sont pas suffisamment au point que pour être utilisées comme sources principales.

Actuellement cinq technologies sont employées pour extraire cet hydrogène des hydrocarbures. Il s’agit du vaporeformage, de l’oxydation partielle, du reformage autothermique, qui est la combinaison des deux premières, de la gazéification du charbon et enfin du procédé Kvaerner. Cependant, à l’exception de ce dernier, toutes ces techniques souffrent d’un défaut majeur : la forte production de CO2.

Le vaporeformage (ou reformage à la vapeur) consiste à faire réagir des hydrocarbures légers (CH4) avec la vapeur d’eau en présence d’un catalyseur au nickel. Cette réaction abouti à la formation de gaz de synthèse et d’hydrogène et se déroule à haute température et à pression modérée. Cependant avant toute chose il est nécessaire d’éliminer le souffre présent dans les hydrocarbures. On effectue donc une réaction de désulfurisation avant d’effectuer toute opération. Plutôt que de développer théoriquement ce cas, nous allons vous montrer de quelle manière se déroule le vaporeformage du méthane :

CH4 + H2O → CO + 3 H2 ∆ H=206 kJ . mol−1

CO + H2O → CO2 + H2 ∆ H =−41 kJ .mol−1

CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2 ∆ H =165 kJ . mol−1

Comme nous le voyons, la première réaction est endothermique (∆ H>0). Cela signifie que la réaction va absorber de l’énergie au système, cette énergie est fournie au système sous forme de chaleur (cette réaction s’effectue à assez haute température (entre 840 à 950 °C)). La deuxième réaction (appelée Water Gas Shift) est quant à elle légèrement exothermique et réalisée principalement pour éliminer le CO. Cette réaction se déroule le plus souvent en deux étapes la première à 400 °C et la seconde à 200 °C.

La dernière étape du vaporeformage est la purification de l’hydrogène. Il existe trois types de procédés :

9

La PSA (pour pressure swing absorption) qui est un procédé utilisant les propriétés des molécules à être absorbées par différents matériaux sous pression. Cela permet dans le cas de l’hydrogène d’obtenir de l’hydrogène gazeux purifié à 99.9 %.

Par la voie cryogénique : le CO va condenser à plus haute température et donc il ne restera pratiquement plus que de l’hydrogène gazeux et du CO de l’ordre de 2 à 5 %

La méthanisation : elle se déroule en deux parties :o Tout d’abord il faut éliminer la plus grosse partie de

CO2. Cela se fait par réaction avec une solution de NaOH, qui abouti à la formation d’ion carbonate.

o Le reste du CO2 et le CO vont réagir ensuite avec H2

pour former du méthane :CO + 3 H2 → CH4 + H2O ∆ H = -206 kJ mol-1

CO2 + 4 H2 → CH4 +2 H2O ∆ H = - 165 kJ mol-1

Ce processus permet d’obtenir un produit final pur à 99.99 %.

L’oxydation partielle consiste à faire réagir des hydrocarbures légers ou du charbon avec de l’oxygène. Cette réaction doit s’effectuer avec les mêmes contraintes de départ que pour le vaporeformage, c'est-à-dire sans trace de souffre. Il faudra donc effectuer une désulfurisation avant de commencer. L’avantage par rapport au vaporeformage est la possibilité d’utiliser des hydrocarbures plus lourds.

La réaction peut s’écrire sous cette forme :

CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2

Comme nous le savons ce type de réaction est exothermique et la valeur de ∆ H dépend de l’hydrocarbure. Pour exemple, si n = 1 et m = 4 (méthane), ∆ H=¿ -36 kJ mol-1

On effectue ensuite une deuxième réaction : la Water Gas Shift, similaire à la deuxième réaction du vaporeformage :

CO + H2O → CO2 + H2 ∆ H =−41kJ .mol−1

Qui est donc également exothermique.

De nouveau il faut purifier le produit, cela s’effectue de la même manière que pour le vaporeformage.

10

Le reformage autothermique est la combinaison des deux procédés vu précédemment. Comme nous avons pu le voir, le premier procédé (vaporeformage) était endothermique tandis que le second (oxydation partielle) était exothermique. La combinaison des deux procure un grand avantage : elle ne nécessite aucun apport d’énergie, la réaction exothermique apportant suffisamment d’énergie pour entrainer la réaction endothermique.

Il faut de nouveau effectuer la Water Gas Shift et purifier le produit comme cité précédemment.

Cette technique présente deux avantages :

- Elle ne demande pas d’apport d’énergie.- Elle permet l’utilisation du gaz naturel, le

méthanol et les hydrocarbures.

Cependant elle garde toujours son défaut majeur qui est le rejet important de gaz carbonique.

La gazéification du charbon consiste à mélanger du charbon avec de l’air et de l’eau à 1000 °C et à haute pression. Cela à pour effet de donner du CO et de l’hydrogène principalement. Il est alors possible de séparer ces composants des autres impuretés et via la Water Gas Shift et les procédés de purification d’obtenir de l’hydrogène relativement pur. Ce procédé a pour avantage de produire simultanément de l’électricité (rendement de 40 % environ voire 60 % dans le futur).

Le procédé Kvaerner, du nom de l’entreprise norvégienne l’ayant mis au point, consiste à séparer totalement les constituants des hydrocarbures. Pour cela, on utilise le procédé de l’arc à plasma, à une température de 1600 °C. Cela a pour effet de dissocier totalement la molécule qui est utilisée (cela peut être du méthane voire quelques hydrocarbures légers). L’équation de la réaction sera donc de la forme :

CnHm + énergie → n C + m/2 H2

11

L’avantage de ce procédé est qu’il ne produit pas de CO2. Cependant, la production de l’énergie nécessaire à son fonctionnement peut en produire. Il faut donc voir l’ensemble de la chaîne de production pour obtenir une idée valable de la production en CO2 ou de l’utilisation des énergies nucléaires.

Conclusion :

Bien qu’étant relativement facilement mise en place ces techniques produisent énormément de dioxyde de carbone (en excluant le procédé Kvaerner) ce qui est contraire au but recherché. De plus la disponibilité des hydrocarbures n’étant pas infinie, ces solutions ne peuvent être envisagées à long terme. Il faudra donc se tourner vers d’autres technologies afin d’employer l’hydrogène.

L’eauComme chacun le sait l’eau est constituée d’oxygène et

d’hydrogène. De nombreux procédés et de nombreuses recherches tentent de dissocier ces atomes afin d’obtenir de l’hydrogène avec le coût le plus petit possible (tant environnemental qu’énergétique). De fait, l’eau a tout pour séduire. Une forte abondance, une facilité de stockage et elle contient tous les réactifs utilisés pour la pile à hydrogène (H2 et O2). Cependant il faut lui concéder un bémol : son enthalpie de dissociation (285 kJ mol-1) qui est le plus souvent fournie sous la forme d’électricité (théoriquement 1.48 V dans les conditions standards mais entre 1.7 à 2.1 V dans les applications). Cela représente une assez grande quantité d’énergie.

Le bilan général de l’équation sera donc :

2 H2O + énergie → 2 H2 + O2

De nombreuses technologies visent à dissocier la molécule d’eau, elles sont décrites ci-dessous.

Utilisation de l’électrolyse

Une deuxième difficulté est à noter dans le cas de l’électrolyse : la pureté de l’eau. En effet, l’eau doit être débarrassée de toutes ses impuretés sans quoi celles-ci finissent par former des boues et par

12

s’accumuler sur les électrodes dont elles perturbent le fonctionnement.

Il existe deux types d’électrolyses, en fonction de la température à laquelle elles sont effectuées. Cependant la réaction n’est pas la même dans les deux cas.

o Electrolyse à basse température

Les réactions s’effectuent vers 80°C. De nombreuses possibilités existent en terme d’électrolytes qui influent sur la manière dont se déroule la réaction. Ci-après les réactions employées pour deux d’entre eux seront montrées :

Solution alcalineRéaction à l’anode : 2 OH- → H2O + 2 e- + ½ O2

Réaction à la cathode : 2 H20 + 2 e- → 2 OH- + H2

Bilan : H20 → H2 + ½ O2

On retrouve bien l’équation de départ

Membrane échangeuse de protonsRéaction à l’anode : H2O → 2 H+ + 2 e- + ½ 02

Réaction à la cathode : 2 H+ + 2 e- → H2

Bilan : H2O → H2 + ½ O2

Les protons passent à travers la membrane séparant l’anode et la cathode pour se reformer en hydrogène à la cathode. On retrouve de nouveau la réaction de base, seul le chemin de la réaction est changé.

o Electrolyse à haute température

La réaction s’effectue entre 700 °C et 1000 °C. L’électrolyte le plus souvent utilisé est une membrane en céramique laissant passer les ions oxygène. La réaction se déroule comme suit :

Réaction à la cathode : H2O + 2 e- → O2- + H2

Réaction à l’anode : O2- → ½ O2 + 2 e-

Bilan : H20 → ½ O2 + H2

L’oxygène est éliminé par son passage à travers la membrane céramique, au travers de laquelle l’hydrogène ne peut passer.

13

Schématiquement cela nous donne :

6

C’est ce procédé qui est employé le plus souvent en entreprise. En effet, il possède quelques avantages comparé à l’électrolyse à basse température :

L’énergie nécessaire pour dissocier la molécule va être en partie donnée sous forme de chaleur, beaucoup moins coûteuse que l’électricité. Le rendement pourrait théoriquement être supérieur à 100 %. Cependant, il ne faut pas oublier de considérer l’énergie utilisée pour chauffer qui reste très importante. Une solution envisagée est celle des réacteurs des centrales électriques nucléaires de génération IV. Il serait possible d’utiliser le surplus d’énergie produit par ces réacteurs afin d’alimenter en chaleur la réaction d’électrolyse de l’eau. Cette solution est dite allothermique.

Une deuxième solution serait d’alimenter la réaction par des vapeurs d’eau produite de façon naturelle (stations géothermales) et de les réchauffer par l’électricité produite par celles-ci. Ce procédé est dit autothermique. Cette solution offre un plus grand rendement (2 fois supérieur) mais la solution allothermique demande plus d’énergie sous forme de chaleur, qui est moins chère et plus facile à produire.

Le rendement de la réaction d’électrolyse augmente avec la température. On obtiendra donc une plus grande quantité d’hydrogène à partir de la même quantité d’eau.

Cycles thermochimiques :

Une autre voie connue pour dissocier l’eau en oxygène et hydrogène est celle de différents cycles thermochimiques. Ceux-ci présentent

6 Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Hight-temperature_electrolysisfr/png14

l’avantage de permettre la récupération des sous-produits afin de les exploiter à nouveau dans la réaction. Il en existe des centaines. A titre d’exemple, voici le cycle iode-soufre :

L’oxygène est obtenu par décomposition de l’acide sulfurique à haute température. Cette réaction se déroule en deux étapes :

H2SO4 → H2O + SO3 (400-600 °C)

SO3 → SO2 + ½ O2 (800-900 °C)

L’hydrogène est obtenu par décomposition de l’acide iodique à haute température. Cette réaction se déroule en une étape :

2 HI → H2 + I2 (200-400 °C)

Les deux sous-produits (I2 et SO2) sont ensuite mis en présence d’eau à température relativement basse (25-120 °C), ce qui conduit à la réaction suivante :

SO2 + I2 + 2 H2O → H2SO4 + 2 HI

On voit que l’on réobtient les réactifs du départ que l’on pourra réinjecter dans la réaction.

De nouveau, la chaleur nécessaire pour ce cycle pourrait être produite par les réacteurs nucléaires de génération IV.

Cette solution est intéressante car elle ne nécessite que de l’eau et les réactifs sont continuellement récupérés.

De nombreuses autres technologies sont encore à l’étude et n’ont pas été décrites. Parmi celles-ci on pourrait citer :

Les procédés photolytiqueso Photobiologiques : utilisation de bactéries

produisant de l’hydrogène grâce à l’énergie solaire.

o Photoélectrolyses : utilisation de cellules photoélectrochimiques produisant directement de l’hydrogène à partir des rayonnements solaires.

Les biocarburants

15

Mais ces procédés n’étant pas encore vraiment au point nous ne nous y attarderons pas.

Conclusion

Toutes ces solutions sont séduisantes car elles ne libèrent pas de polluants de façon directe. Cependant, l’énergie nécessaire à leur exploitation est actuellement le plus souvent apportée par des centrales qui peuvent être productrice de CO2. Le bilan écologique doit donc être examiné sur l’ensemble de la chaîne de production. La solution idéale serait l’utilisation d’énergies renouvelables pour la production d’hydrogène. Une partie de l’hydrogène pourrait également être produit au sein du véhicule par l’utilisation des pertes énergétiques dues aux freinages par exemple.

16

Utilisation sous forme de pileMaintenant que nous savons produire de l’hydrogène, nous pouvons

nous attaquer à la partie qui intervient directement dans la voiture : l’énergie produite par l’hydrogène. Dans ce chapitre nous nous attarderons sur son utilisation sous forme de pile. En effet, du point de vue rédox, son utilisation avec le couple de l’oxygène délivre une différence de potentiel théorique de 1.23 V dans les conditions standards. Dans cette pile, l’hydrogène jouera le rôle de réducteur tandis que l’oxygène jouera celui d’oxydant. Des catalyseurs sont nécessaires pour la réaction et actuellement le platine est utilisé dans ce but, ce qui constitue un coût important.

On peut distinguer deux types de réactions selon que l’électrolyte est acide ou basique :

Electrolyte acideA l’anode, l’hydrogène est décomposé en deux protons et 2

électrons selon l’équation suivante :

H2 → 2H+ + 2e–

Les protons ainsi formés vont se diriger vers la cathode de même que les électrons. Cela va créer une différence de potentiel, c'est-à-dire de l’énergie électrique. Une fois à la cathode, les protons et les e - vont réagir avec l’oxygène pour reformer de l’eau selon l’équation suivante :

½ O2 + 2 H+ + 2e– → 2H2O

Si nous récapitulons :

Réaction à l’anode : H2 → 2H+ + 2e–

Réaction à la cathode : ½ O2 + 2 H+ + 2e– → H2O

Bilan de la réaction : H2 + ½ O2 → H2O + énergie

Nous revenons donc à l’équation de départ.

Electrolyte basiqueA l’anode, l’hydrogène réagit avec des ions OH- pour former de

l’eau en libérant 2 électrons et de l’eau :

H2 + 2 OH- → 2 e- + 2 H2O

Ces deux électrons vont se diriger vers la cathode produisant au passage un courant électrique. Là, l’oxygène va réagir à son tour avec de l’eau et les électrons libérés par l’hydrogène pour reformer des ions OH- :

½ O2 + H2O + 2 e- → 2 OH-

17

Le bilan sera donc le même : H2 + ½ O2 → H2O + énergie

Voici en image le principe de la pile à combustible :

7

Le principe de fonctionnement de la pile à combustion est donc l’inverse de l’électrolyse que nous avons vu précédemment. L’énergie produite est sous forme d’électricité et théoriquement la tension fournie devrait être de 1.23 V. Cependant, dans la pratique, celle-ci est de l’ordre de 0.5 à 0.8 V. En effet, le rendement théorique est baissé car le phénomène est réversible thermodynamiquement et donc ne peut avoir de rendement réel égal au rendement théorique. Il est à noter cependant que ce rendement rester le plus généralement supérieur au rendement de Carnot, ce qui le rend malgré tout avantageux.

De nombreuses recherches visent à améliorer le rendement et la facilité de mise en place de ce type de pile dans les véhicules. Les différentes piles obtenues diffèrent par le type d’électrolyte, de catalyseurs, de l’ensemble électrode-membrane utilisé ainsi que des plaques bipolaires8.

L’application de cette solution dans le cas de l’automobile est cependant difficile à mettre en place. En effet, l’énergie ainsi produite possède des limites concernant la puissance délivrée par unité de temps, ce qui constitue un problème si l’on considère les contraintes de l’utilisation sur route d’un tel procédé (accélérations suffisamment importantes).

7 Source du schéma : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Fuel_Cell_FR.svg8 Le rôle des plaques bipolaires est de permettre la circulation des gaz et de récupérer l’électricité produite.

18

Un second souci est que l’utilisation de pile ne produit pas de chaleur et les systèmes auxiliaires du véhicule ne peuvent pas être alimentés par récupération de cette énergie (chauffage, …) et il faut donc récupérer dans l’énergie électrique. Cela limite fortement la durée de vie de la batterie.

Utilisation sous forme de combustible

L’hydrogène peut également être utilisé en combinaison avec l’oxygène comme combustible. En effet, si on mélange ces deux composés et qu’on les met en contact avec une étincelle, il y aura explosion. Ce principe utilisé par les fusées pourrait bien se voir étendu à l’automobile. Bien que d’un rendement moins important que dans le cas de la pile à combustible, cette méthode permet cependant une libération bien plus importante d’énergie sur un laps de temps plus court, ce que requiert la conduite automobile. L’hydrogène ainsi utilisé pourrait être employé dans les moteurs de la même manière que le sont actuellement les combustibles fossiles car c’est l’explosion de ceux-ci qui donne la force motrice nécessaire à l’avancement du véhicule.

Ci-dessous un moteur à hydrogène liquide développé par Linde.

9

9 Source photo : http://fr.wikipedia.ord/wiki/Fichier:Linde-Wasserstofftank.JPG19

Stockage de l’hydrogèneUn des défit majeur de l’avenir de l’hydrogène est celui de son

stockage. En effet, dans les conditions standards, le dihydrogène est présent à raison de 0.09 kg/m3. Pour donner une idée de la quantité volumique qu’il faudrait embarquer dans la voiture s’il était mis sous cette forme, il faut considérer que pour effectuer un trajet de 400 km il nous faudra environ 4 kg d’hydrogène. Cela représente 45 m3. Il est tout à fait impensable de munir un véhicule d’un réservoir de cette taille et donc les recherches visent à réduire au maximum l’espace occupé par ces 4 kg. Plusieurs techniques sont envisagées :

A haute pression

Cette technique vise à maintenir l’hydrogène sous pression suffisamment grande que pour pouvoir le stocker dans des réservoirs raisonnables. Actuellement il est possible de le maintenir à une pression de 200 bar, ce qui nous donne une densité de 11 kg/m3 ce qui nous permettrait de stocker 4kg dans 360 litres. Bien qu’encore insuffisante cette pression pourrait prochainement se voir passer à 450 bar, ce qui permettrait de diminuer encore par deux le volume nécessaire.

Sous forme liquide

Ce type de stockage requiert une grande contrainte : le maintient de l’hydrogène à l’état liquide. En effet, qu’il soit sous cette forme, il faut le maintenir à une température de -240 à – 250 °C. De plus, cette liquéfaction de l’hydrogène est chère et l’hydrogène n’est pas

20

très stable et à tendance à se vaporiser même à cette température. Cependant, sa grande densité (70.8 kg/m3) permet de limiter fortement le volume du réservoir.

Absorption dans des composés solides

Cette méthode consiste à immobiliser l’hydrogène sur des composés solides, c'est-à-dire à la surface de ceux-ci. Il faut donc que la surface soit la plus grande possible afin que le maximum d’hydrogène puisse être stocké pour le plus petit volume. Le seul matériau faisant l’objet de recherche actuellement est le carbone avec notamment l’éventuelle possibilité d’utiliser les nanotubes de carbones. Cependant les conditions d’absorption de l’hydrogène sont rebutantes car celle-ci ne se produit qu’à des températures très basses (-196 °C). Les recherches actuelles tentent donc d’améliorer ces conditions.

Les hydrures

Les hydrures sont des composés dans lesquels l’hydrogène est sous la forme d’ion négatif. On distingue deux types de stockage dans les hydrures. Un dans lequel l’hydrogène est sous sa forme atomique H et est stocké au sein de l’hydrure sous cette forme. Dans le deuxième cas, l’hydrogène est dans une molécule sous la forme d’ions H-. Dans ce cas, l’hydrogène fait partie intégrante de la molécule et seules des réactions chimiques permettent de le libérer.

Cette solution présente également un intérêt en terme de sécurité car les pressions utilisées au stockage (parfois légèrement inférieure à la pression atmosphérique)

Sous forme atomique H (hydrures métalliques)La forme atomique H peut être obtenue par électrolyse de l’eau mais également dans des conditions précises de température et de pression pour des matériaux donnés.

21

Les hydrures métalliques offrent une capacité de stockage très importante par unité de volume. A titre d’exemple, l’hydrure Mg2FeH6 permet d’avoir une densité en hydrogène de 150 kg par m3. Cependant, la capacité n’est pas le seul critère important car il faut également que la libération d’hydrogène soit possible dans des conditions raisonnables. De nombreux hydrures métalliques pourraient correspondre à ces deux critères et des études sont en cours sur ce point.

Dans un hydrure sous forme d’ions H-

On utilisera dans ce cas des hydrures complexes. Ceux-ci sont des alcalins (groupe I) associé à un élément du groupe 13 (famille des terreux) et des ions H-. Les hydrures ayant un intérêt, c'est-à-dire ceux possédant des capacités de stockage suffisamment grandes sont les tétrahydroborates et les tétrahydroaluminates (alanates) plus particulièrement LiBH4, NaBH4, LiAlH4 et NaAlH4). Dans ces molécules, l’hydrogène est situé aux sommets du tétraèdre occupé par l’élément du groupe 13 (bore ou aluminium le plus souvent). Les alcanes sous forme ionique vont alors stabiliser la molécule qui possède une charge négative.

Comme cité précédemment, dans ces molécules, l’hydrogène est lié par des liaisons moléculaires au sein de la molécule. Il faut donc une réaction chimique afin de l’en libérer, voici à titre d’exemple la réaction pour le tétrahydroaluminate de sodium :

6 NaAlH4 →2 Na3AlH6 + 4 Al + 6 H2 → 6 NaH + 6 Al + 9 H2

Les amino-boranesIl est à noter que bien qu’en cours d’étude, les amino-boranes (NHxBHX) s’annonce assez prometteur également avec des capacités d’absorption théorique de plus de 20 %.

Autres défis technologiques et sociopolitiquesL’utilisation de l’hydrogène causerait également des problèmes

d’acheminement s’il n’est pas produit sur place. En effet, à ce jour pratiquement aucune filière de transport n’est mise en place et tout le problème consisterait en la création à grande échelle de celle-ci.

Un autre problème serait la sûreté de l’hydrogène. Ce problème étant plutôt d’ordre sociologique. En effet, les technologies actuellement utilisées garantissent une grande sécurité concernant le stockage et l’utilisation de l’hydrogène. L’hydrogène n’est pas plus dangereux que le

22

gaz de ville et l’est moins pour certain facteur comme il peut l’être également pour d’autres.

Voici quelques avantages :

- L’hydrogène se repend beaucoup plus vite que le gaz de ville dans l’air. Cela limite donc le risque d’explosion si le gaz peut se diffuser dans l’air.

- Le seuil nécessaire de concentration explosive est environ similaire à celui du méthane. (4 % contre 5%)

- L’hydrogène renferme 3.5 fois moins d’énergie dans le cas d’une explosion que le méthane par unité de volume.

- Une flamme d’hydrogène rayonne peut et il y a donc moins de risque que l’énergie qu’elle contient active la combustion des molécules aux alentours

Quelques inconvénients :

- L’énergie nécessaire à enflammer l’hydrogène est plus petite que celle du méthane

- La flamme d’hydrogène est d’un bleu très pâle qui la rend peu visible à la lueur du jour et sa vitesse de propagation est grande et il existe plus de risque de détonation10

L’hydrogène ne semble donc pas plus dangereux que le gaz de ville pris ici par comparaison. Cependant l’image de la société a été marquée par le terrible accident du dirigeable allemand en 1937. La difficulté sera donc de convaincre l’opinion publique concernant la sûreté de l’hydrogène à l’heure actuelle.

Conclusion sur l’hydrogèneL’hydrogène fait parler de lui a bien des niveaux et notamment pour

ce qui concerne l’usage dans la motorisation de véhicule. Il possède en effet de nombreux avantages non négligeables : il ne produit aucun sous-produit toxique lors de son emploi car le seul rejet occasionné est de l’eau. A l’heure est à la prise de conscience concernant l’environnement

10 Détonation : explosion générant un important effet de souffle23

notamment en matière de réchauffement climatique, ce concept à tout pour plaire.

Cependant derrière cette solution très séductrice se cache de lourds défis technologiques avant d’envisager l’utilisation courante de l’hydrogène, particulièrement s’il est embarqué comme combustible dans des véhicules. Les problèmes de stockage, de production et de transport s’annoncent comme étant très dur à surmonter. Cependant, le nombre de recherche en témoigne la mobilisation visant à exploiter ce vecteur énergétique est grande et on peut espérer de nombreux résultats dans les prochaines années.

La dernière étape concernant son emploi au quotidien sera cependant le grand public, qui se méfie toujours de l’hydrogène qu’il juge fort dangereux. Il faudra donc rassurer et montrer l’avantage immense que constituerait l’hydrogène s’il était maîtrisé parfaitement.

24

La voiture hybride Introduction

La voiture hybride a toutes les chances de devenir la voiture de demain. Effectivement, elle combine les avantages du moteur thermique et de l’électrique sans en avoir les inconvénients les plus importants.

Cependant, elle ne tiendra pas de nombreuses années puisqu’une fois en manque d’hydrocarbures, elle devient inutilisable. Elle peut quand même servir de transition, permettant ainsi de continuer les recherches pour les autres alternatives tout en réduisant la consommation de pétrole.

Fonctionnement

La voiture hybride est composée de deux types de motorisation différents : un moteur électrique (moteur E) et un moteur thermique (essence ou diesel) (moteur T). L’avantage principal de ce véhicule est une bonne représentation de la célèbre citation de Lavoisier11. En effet, lors du freinage l’énergie cinétique n’est plus perdue sous forme de chaleur mais est récupérée et stockée dans une batterie. Cette énergie va alimenter le moteur électrique. 12 Au démarrage, le moteur E est employé. Puis c’est au moteur T de prendre le relais. Pour les accélérations, les deux moteurs sont en collaboration : cela permet une augmentation de la puissance tout en diminuant les émissions de gaz à effet de serre puisque la consommation de carburant est réduite. Ce type de voiture n’est pas considéré comme électrique car il ne reçoit pas d’électricité extérieure.

11 Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme12 Source de l’image : CLEFS CEA n°50/51 Hiver 2004-2005

25

Les biocarburantsIntroduction

Ce dernier chapitre est consacré aux carburants bios. Ils sont générés à partir de la biomasse : ensemble de tous les végétaux à la surface de la planète. Cette solution a un côté très attrayant étant donné la grande disponibilité des substances employées. Les recherches effectuées pour améliorer les technologies nécessaires à la transformation thermochimique de la biomasse se font principalement par les scientifiques du CEA.

Transformation de la biomasse

Il y a quatre façons de transformer la biomasse en combustible ou carburant.

la combustion

Elle produit essentiellement de la chaleur. Cependant il est possible qu’il y ait en même temps production d’électricité, mais à des proportions inégalées (30% électricité – 70% chaleur)

la méthanisation

Elle se fait par fermentation anaérobie. En d’autres termes, il s’agit de la décomposition bactérienne, en absence d’air des végétaux très humides (algues, déjections animales, déchets ménagers…). On obtient alors du gaz carbonique et du méthane qui est ensuite utilisé comme carburant. Cependant la présence de gaz carbonique rend son utilisation compliquée.

la fermentation alcoolique

Ce type de procédé est employé pour les substances saccharifères13. On emploie généralement la betterave ou la canne à sucre. On peut également utiliser des éléments amylacés14 tels que les céréales. Tout d’abord, on prépare une solution sucrée à laquelle on fait une hydrolyse. Nous la laissons ensuite fermenter. Après cela, nous purifions la substance par distillation pour obtenir de l’éthanol. Malheureusement ce n’est pas une opération fort rentable du à la consommation élevée d’énergie employée pour la culture des plantes.

la transformation thermochimique

Il s’agit de la gazéification de substances organiques ou végétales. Cela valorise bien les produits lignocellulosiques15 tels que le bois ou la

13 Contenant du sucre14 Contenant de l’amidon15 Formés de lignine et de cellulose

26

paille. C’est cette dernière solution qui apporte le plus d’énergie pour la fabrication des carburants.

Ce dernier point se fait suite à de nombreuses opérations nécessitant le transfert d’une grande quantité de chaleur. Une des premières opérations est le séchage de la biomasse. Elle est extrêmement endothermique. Ensuite se produit la thermolyse qui consiste à dégrader des produits qui, aux alentours de 600°C ont perdu une grande partie de leur masse (70%). Celle-ci est devenue gazeuse. Les derniers pourcents restant représentent le charbon de bois, principalement constitué de carbone. La gazéification de ce dernier se poursuit aux environs de 900-1000°C à l’aide d’un réactif tel

que l’air, l’oxygène ou la vapeur d’eau. La réaction est alors l’oxydation du carbone en monoxyde de carbone.

2C + O2 2CO

On peut également obtenir du dioxyde de carbone.

C + O2 CO2

L’air utilisé comme réactif a beau ne rien coûter, il introduit de l’azote dans les produits finaux, ce qui n’est pas désiré. L’oxygène, obtenu par distillation de l’air, est très cher et extrêmement dangereux. Pour obtenir un gaz de très bonne qualité il faut éliminer toute trace d’acide et de goudron dû 16 à la thermolyse. Pour cela, il suffit de porter ces produits à une température de 1200-1300°C pour effectuer leur dégradation thermique, en d’autres termes, les craquer17. Si nous ne dépassons pas les 800-900°C il s’effectue alors une réaction catalysée permettant d’éviter la fusion des cendres et la création de mâchefers18qui n’apparaissent qu’à partir des 900-1000°C. En utilisant un étage haute température le reformage19 du méthane en CO et H2 peut se faire simultanément aux autres opérations. Le gaz obtenu peut soit être Lignine : substance organique complexe, constituant principal du bois, qui imprègne les cellules, les fibres et les vaisseaux conducteurs, les rendant imperméables, inextensibles et rigides.Cellulose : produit macromoléculaire du groupe des glucides, polymère du glucose, composant essentiel et caractéristique de la paroi des cellules végétales.16 Source du schéma : CLEFS CEA n°50/51 Hiver 2004-200517 Craquage : procédé de raffinage des hydrocarbures par modification de la structure moléculaire sous l’effet de la chaleur, de la pression et parfois d’un catalyseur.18 Mâchefer : résidu de combustion, notamment de la houille et du bois, résultant de la fusion et de la solidification des sels minéraux qui composent les cendres.

27

directement brûlé dans un moteur ou une turbine pour former de l’énergie mécanique ou de l’électricité, soit conduire à la synthèse d’hydrocarbures tels que le méthanol, le diméthyl-éther… Ceux-ci sont employés comme carburant liquide, combustible ou en matière première chimique. Il est également possible de raffiner le gaz de biomasse pour en extraire de l’hydrogène servant à la pile à combustible, mais cela n’étant pas encore au point nous ne décrirons pas cette partie.

Conclusion générale

Les possibilités visant à remplacer les hydrocarbures sont nombreuses mais chacune présente des difficultés qu’il faudra surmonter. La source du problème vient de la facilité d’utilisation des hydrocarbures comme combustible. En effet, pendant de nombreuses années presque aucune recherche n’a été effectuée sur d’autres technologies permettant de faire avancer notre véhicule de tous les jours. La prise de conscience en matière de disponibilité du pétrole ainsi que du réchauffement climatique nous a permis de voir à quel point le retard technologique s’était accumulé au fil des années. Toutes les technologies présentées peuvent constituer, seules ou combinées, une alternative aux carburants. Le problème étant qu’elles soient au point.

Un deuxième problème viendrait s’ajouter lors de l’acceptation d’une de ces alternatives, celle de sa distribution. En effet, le réseau de distribution pour le pétrole est bien en place. Ce qui est loin d’être le cas pour toutes les autres sources d’énergies qui pourraient être employées.

Au vu des recherches menées actuellement, il semble assez probable que nous puissions envisager l’utilisation de ces alternatives d’ici quelques dizaines d’années pendant lesquelles seront certainement employées les solutions remplaçant partiellement les hydrocarbures comme dans le cas de la voiture hybride. L’avenir de la voiture est donc loin d’être terminé. Il faudra cependant un lourd travail de recherche pour pouvoir continuer à la faire avancer dans le futur. Ce travail devrait être effectué au vu de son emploi important dans notre société ainsi que de l’enjeu financier qu’elle représente.

19 Reformage : opération de craquage chimique d’une molécule d’hydrocarbure ou d’alcool pour la transformer en ses composants majeurs.

28

BibliographieScience et vie hors série n°240 p.133

Science et vie n°1096 p.45 - 60

CLEFS CEA n°50/51 Hiver 2004-2005

http://www-ose.cma.fr/evenements/2000/technologies_electrique.htm

http://fr.vivat.be/auto/article.asp?pageid=1356

http://74.125.77.132/search?q=cache:oXetulgphp4J:www.poweron.ch/upload/cms/user/67pilesetaccumulateurs.pdf+accumulateur+nickel+cadmium&cd=3&hl=fr&ct=clnk&gl=be http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_Swing_Adsorption

http://www.annso.freesurf.fr/plan.html

http://www.planete-energies.com/GetContent.aspx?contentid=b79acfc0-969b-446f-92fb-effb3976402d

http://www.cea.fr

http://en.wikipedia.org/wiki/Kv%C3%A6rner-process

http://fr.wikipedia.org/wiki/Stockage_d’hydrogène

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A0_combustible

Guide des energies renouvelables, ministère de la region Wallonne, 1994

L’énergie dans le monde : bilan et perspectives, J-L. Bobin, H. Nifenecker, C. Stéphan, EDP Sciences, 2001

29

30