L'Hydrogène ...

 

... les carburants de l'avenir ?


 
Image illustrative de l’article Hydrogène
Hydrogène liquide dans une chambre à bulles.
 
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    Structure cristalline hexagonale  
 
1		 H
   
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                 
 
                                               
↑
H
↓
Li
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole H
Nom Hydrogène
Numéro atomique 1
Groupe 1
Période 1e période
Bloc Bloc s
Famille d'éléments Non-métal
Configuration électronique 1s1
Électrons par niveau d’énergie 1
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 1,00794 ± 0,00007 u1,2
Rayon atomique (calc) 25 pm (53 pm)
Rayon de covalence 31 ± 5 pm3
Rayon de van der Waals 120 pm4
État d’oxydation -1, +1
Électronégativité (Pauling) 2,2
Oxyde amphotère
Énergies d’ionisation5
 
1re : 13,598443 eV
Isotopes les plus stables
 
IsoANPériodeMDEdPD
MeV
1H 99,9885 % stable avec 0 neutron
2H 0,0115 % stable avec 1 neutron
3H traces (syn.) 12,32 a β- 0,019 3He
Propriétés physiques du corps simple
Masse volumique 0,089 88 g L−1 (gaz, CNTP),

0,070 8 kg L−1 (liquide, −253 °C),
0,070 6 kg L−1 (solide, −262 °C)1
Système cristallin Hexagonal
Divers
No CAS 1333-74-0
Précautions
NFPA 7046

Symbole NFPA 704.

 
Transport
-
   1049   
[+]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
 Consultez la documentation du modèle

L'hydrogène est l'élément chimique de numéro atomique 1, de symbole H. L'hydrogène présent sur Terre est presque entièrement constitué de l'isotope 1H (un proton, zéro neutron) ; il comporte environ 0,01 % de 2H (un proton, un neutron). Ces deux isotopes sont stables. Un troisième isotope 3H (un proton, deux neutrons), instable, est produit dans les explosions nucléaires. Ces trois isotopes sont respectivement appelés « protium », « deutérium » et « tritium ».

L'hydrogène peut avoir les nombres d'oxydation 0 (dihydrogène H2 ou hydrogène métallique), +I (dans la plupart de ses composés chimiques) et –I (dans les hydrures métalliques). L'hydrogène est un élément électropositif, fréquemment ionisé à l'état H+ ou H3O+. Mais il forme aussi des liaisons covalentes, notamment dans l'eau et la matière organique.

L'hydrogène est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles (dont l'énergie provient de la fusion thermonucléaire de cet hydrogène), et de la matière interstellaire ou intergalactique. C'est un composant majeur des planètes géantes, sous forme métallique au cœur de Jupiter et de Saturne, et sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux dans leurs couches plus externes et dans les autres planètes géantes. Sur Terre, il est surtout présent à l'état d'eau liquide, solide (glace) ou gazeuse (vapeur d'eau), mais il se trouve aussi dans les émanations de certains volcans sous forme H2 et de méthane CH4.

Ce gaz a été mis en évidence par Cavendish en 1766, qui l'a appelé « air inflammable » parce qu'il brûle ou explose en présence de l'oxygène, où il forme de la vapeur d'eau. Lavoisier a désigné ce gaz par le nom hydrogène, composé du préfixe « hydro- », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et du suffixe « -gène », du grec γεννάω (gennaô), « engendrer »7. Il s'agit du gaz de formule chimique H2 dont le nom scientifique est désormais « dihydrogène ».

Le dihydrogène est toujours appelé « hydrogène » dans le langage courant.

Abondance

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes. Il est présent en grande quantité dans les étoiles et les planètes gazeuses ; il est également le composant principal des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Dans la croûte terrestre, l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et le silicium (27 %)8. Il est rare également dans l'atmosphère terrestre, puisqu'il ne représente en volume que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau, dont la molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; l'hydrogène est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé au carbone dans tous les composés organiques. Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain8.

Sous de très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels car il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. Les nuages d'hydrogène sont à la base du processus de la formation des étoiles.

L'atome d'hydrogène

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron. L'hydrogène est l'atome le plus léger. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'une liaison covalente : c'est un atome univalent.

Cependant, l'hydrogène solide peut être métallique lorsqu'il se trouve sous très haute pression. Il cristallise alors avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il se trouve dans la colonne des métaux alcalins. N'étant toutefois pas présent dans cet état sur Terre, il n'est pas considéré comme un métal en chimie.

La section efficace de capture de l'hydrogène (200 mb aux neutrons thermiques et 0,04 mb aux neutrons rapides)9 est suffisamment faible pour permettre l'utilisation de l'eau comme modérateur et réfrigérant des réacteurs nucléaires.

Mécanique quantique

Article détaillé : Atome d'hydrogène.

L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple qui existe. C'est donc celui pour lequel la résolution de l'équation de Schrödinger, en mécanique quantique, est la plus simple. L'étude de ce cas est fondamentale, puisqu'elle a permis d'expliquer les orbitales atomiques, et ensuite les différentes liaisons chimiques avec la théorie des orbitales moléculaires.

Isotopes et propriétés nucléaires

Isotopes

Article détaillé : Isotopes de l'hydrogène.

L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D2O), qui contient des isotopes d'hydrogène lourds, est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces. En effet, en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique des réactions en solution aqueuse est considérablement ralentie.

Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont :

  • l’hydrogène léger ou protium 1H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Le noyau est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas de neutron. C'est un isotope stable ;
  • le deutérium 2H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre, il est essentiellement présent sous forme d'eau deutérée HDO (eau semi-lourde) ;
  • le tritium 3H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 1018 atomes d’hydrogène). Le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en 3He par émission d'un électron (radioactivité β−). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire. La radiotoxicité du tritium est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et moins bien comprise lorsqu'il est présent sous forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux10). Dans l’environnement naturel, le tritium peut prendre la place du protium dans les molécules comprenant de l'hydrogène, y compris dans les molécules biologiques et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassures de l'information génétique, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium étant un isotope rare, sa concentration dans l'eau et les tissus est généralement très faible (hors contaminations accidentelles d’origine humaine) ;
  • le quadrium ou tétradium 4H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sa demi-vie est ultracourte : 1,39 × 10−22 seconde11). Il se décompose par émission de neutron12 ;
  • l'hydrogène 7 (7H), l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10−21 seconde13.

Fusion nucléaire

L'hydrogène, présent en grandes quantités dans le cœur des étoiles, est une source d'énergie par les réactions de fusion nucléaire, qui combinent deux noyaux d'atomes d'hydrogène (deux protons) pour former un noyau d'atome d'hélium. Les deux voies de cette fusion nucléaire naturelle sont la chaîne proton-proton, de Eddington, et le cycle carbone-azote-oxygène catalytique, de Bethe et von Weizsäcker.

La fusion nucléaire réalisée dans les bombes à hydrogène ou bombes H concerne des isotopes intermédiaires de la fusion (l'hydrogène se transforme en hélium), comme celle qui se déroule dans les étoiles : isotopes lourds de l'hydrogène, hélium 3, tritium, etc. Mais, dans une bombe H, les réactions nucléaires ne durent que quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet uniquement des réactions en une unique étape. Or, pour aboutir à la transformation de l'hydrogène en hélium, il faut plusieurs étapes dont la première, la réaction d'un proton, est très lente.

Depuis 2006, le projet ITER vise à vérifier la « faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvelle source d’énergie14 ».

Le corps simple hydrogène

Sauf aux pressions extrêmement basses (comme dans l'espace intergalactique) ou extrêmement hautes (comme dans les parties centrales de Jupiter et Saturne), le corps simple hydrogène est formé de molécules H2 (dihydrogène).

Aux pressions extrêmement hautes, l'hydrogène est dans un état dit « sombre », intermédiaire entre un gaz et un métal. Il ne reflète pas la lumière et ne la transmet pas. Il devient aussi très faiblement conducteur d'électricité15. Il s'apparente aux métaux alcalins qui le suivent dans le groupe 1 du tableau de Mendeleïev.

Aux pressions les plus basses, l'hydrogène est un gaz monoatomique.

Isomérie

Article détaillé : Isomérie de spin du dihydrogène.

La molécule de dihydrogène existe sous deux isomères de spin nucléaire: l'hydrogène ortho (spins parallèles) et l'hydrogène para (spins antiparallèles)16.

Hydrogène gazeux

Article détaillé : Dihydrogène.

Dans les conditions normales de température et de pression, comme dans la plupart des conditions qui intéressent la chimie et les sciences de la Terre, l'hydrogène est un gaz moléculaire de formule H2, le dihydrogène. Le dihydrogène forme aussi de vastes « nuages moléculaires » dans les galaxies, qui sont à l'origine de la formation des étoiles.

À très basse pression et très haute température l'hydrogène est un gaz monoatomique (donc de formule H), c'est notamment le cas du gaz interstellaire ou intergalactique. En raison de l'immensité de ces espaces et malgré la très faible densité du gaz, l'hydrogène monoatomique constitue près de 75 % de la masse baryonique de l'univers17.

Hydrogène liquide

Article détaillé : Hydrogène liquide.

Hydrogène solide

L'hydrogène solide est obtenu en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, situé à 14,01 K (−259,14 °C)18. L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar19,20.

Hydrogène métallique

Article détaillé : Hydrogène métallique.

L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène survenant lorsqu'il est soumis à une très forte pression et à de très basses températures. C'est un exemple de matière dégénérée. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) sous lesquelles l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures21,22.

Hydrogène triatomique

Article détaillé : Hydrogène triatomique.

L'hydrogène triatomique est une forme allotropique très instable du corps simple hydrogène, de formule H323.

Propriétés chimiques et composés

Ions hydron H+, hydronium H3O+ et hydrure H–

L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion H+, désigné couramment par le nom de proton. En effet l'atome qui a perdu son seul électron est réduit à son noyau, et dans le cas de l'isotope le plus abondant 1H, ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes. L'appellation hydron est plus générale (on dit aussi ion hydrogène, malgré la confusion possible avec l'anion H–). Son rayon est très petit : environ 1,5 × 10−15 m contre 5 × 10−11 m pour l'atome.

En solution, le proton n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse il est solvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau H2O, formant un ion « hydronium » H3O+, aussi appelé « oxonium » ou « hydroxonium ».

L'atome d'hydrogène peut aussi acquérir un second électron pour donner l'ion « hydrure » H–, ce qui lui confère le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.

Réactions acido-basiques

Article détaillé : Réaction acido-basique.

L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de la théorie de Brønsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H+ entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H+ par rupture d'une liaison covalente, et la deuxième (la base) captant cet H+ par formation d'une nouvelle liaison covalente :

{\begin{matrix}{\mbox{AH}}&+&{\mbox{B}}&=&{\mbox{A}}^{-}&+&{\mbox{BH}}^{+}\\{\mbox{acide1}}&&{\mbox{base2}}&&{\mbox{base1}}&&{\mbox{acide2}}\end{matrix}}

Liaison hydrogène

Article détaillé : Liaison hydrogène.

La liaison hydrogène est une interaction électrostatique entre un atome d'hydrogène, lié chimiquement à un atome électronégatif A, et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquement O, N ou F en chimie organique).

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou de fluor F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les alcoolates métalliques.

Composés covalents

L'atome d'hydrogène peut engager son unique électron pour former une liaison covalente avec de nombreux atomes non-métalliques.

Les composés les plus connus sont :

L'hydrogène est également présent dans toutes les molécules organiques, où il est lié principalement à des atomes de carbone, d'oxygène et d'azote.

Hydrures

L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés « hydrures », dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H− trouvés généralement en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H+ a une forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H3O+ appelés ions « hydronium » ou « oxonium », association du proton et d'une molécule d'eau.

Agressivité à l'égard des matériaux

L'hydrogène corrode de nombreux systèmes d'alliages en les fragilisant24. Ceci peut conduire à des défaillances catastrophiques, par exemple de piles à combustible ou de certains processus catalytiques. C'est un problème grave pour les industries qui produisent ou utilisent de l'hydrogène. C'est encore un frein à la production, au transport, au stockage et à un large usage de ce produit24.

La science des matériaux recherche des matériaux plus résistants à la fragilisation par l'hydrogène, mais ce travail est rendu difficile par la difficulté de mesurer ou d'observer l'hydrogène de manière expérimentale et à l'échelle atomique24. Chen et al.25 ont réussi en 2017 à observer la répartition tridimensionnelle (3D) précise des atomes d'hydrogène dans la matière grâce à une nouvelle approche de la tomographie par sonde atomique basée sur la deutérisation, le transfert cryogénique et des algorithmes appropriés d'analyse de données24.

Toxicité, écotoxicité

Très peu d'études semblent avoir été menées à ces sujets, probablement parce que les organismes vivants ne sont pas supposés être dans la nature exposés à de l'hydrogène gazeux. En effet, ce gaz étant très léger, il se disperse rapidement vers les très hautes couches de l'atmosphère.

En matière de toxicité pour l'homme, l'hydrogène peut être absorbé dans l’organisme par inhalation. En milieu industriel ou en présence d'une fuite importante, une concentration nocive de ce gaz (sans odeur) dans l'air peut être rapidement atteinte (et former aussi un mélange explosif avec l'air, l'oxygène, les halogènes et tout oxydant puissant, surtout en présence d'un catalyseur métallique comme le nickel ou le platine)26. À concentration élevée, l'hydrogène expose à une aggravation de problèmes pulmonaires préexistant et à une anoxie, avec alors des « symptômes tels que maux de tête, bourdonnements dans les oreilles, vertiges, somnolence, perte de conscience, nausée, vomissements et dépression de tous les sens » et une peau pouvant prendre une teinte bleutée, avant asphyxie si l'exposition se prolonge26.

L'hydrogène n'est pas à ce jour (2019) connu comme étant source de mutagénicité, d'embryotoxicité, de tératogénicité ni de toxicité pour la reproduction26.

Notes et références

  1. LENNTECH, « Hydrogen - H ; Chemical properties of hydrogen - Health effects of hydrogen - Environmental effects of hydrogen » [archive], sur www.lenntech.com (consulté le 11 janvier 2019)

Voir aussi

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Articles connexes

Liens externes

 

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1  H     He
2  Li Be   B C N O F Ne
3  Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4  K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
8  119 120 *    
  * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142  

 

Métaux
  Alcalins  		   Alcalino-  
terreux		   Lanthanides     Métaux de  
transition		 Métaux
  pauvres  		   Métal-  
loïdes		 Non-
  métaux  		 Halo-
  gènes  		 Gaz
  nobles  		 Éléments
  non classés  
Actinides
    Superactinides    
 
v · m
HAsO2 · H3AsO3 · H3AsO4 · HAt · HSO3F · HBF4 · HBr · HBrO · HBrO2 · HBrO3 · HBrO4 · HCl · HClO · HClO2 · HClO3 · HClO4 · HCN · HCNO · H2CrO4/H2Cr2O7 · H2CO3 · H2CS3 · HF · HFΟ · H2Hg · HI · HIO · HIO2 · HIO3 · HIO4 · HMnO4 · H2MoO4 · HNC · HNCO · HNO · HNO3 · H2N2O2 · HNO5S · H3NSO3 · H2O · H2O2 · H2O3 · H3O · H3PO2 · H3PO3 · H3PO4 · H4P2O7 · H5P3O10 · H2PtCl6 · H2S · H2S2 · H2Se · H2SeO3 · H2SeO4 · H4SiO4 · H2SiF6 · HSCN · HNSC · H2SO3 · H2SO4 · H2SO5 · H2S2O3 · H2S2O6 · H2S2O7 · H2S2O8 · CF3SO3H · H2Te · H2TeO3 · H6TeO6 · H4TiO4 · H2Po · HCo(CO)4 · H2Ac · XeH2 · Clathrate d'hydrogène · PsH

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Moteur à hydrogène

OIP

Page d’aide sur l’homonymie
Ne doit pas être confondu avec Enrichissement du carburant par hydrogène.

Le moteur à hydrogène est un moteur à combustion interne utilisant le dihydrogène comme carburant.

Histoire

Moteur à gaz horizontal Otto, de quatre chevaux de force, actionnant dans le domaine d'Ambreville (Eure) en 1868 : pompes à eau pour la ferme et le château, pompe à purin, machine à battre avec élévateur de grains, meules à concasser, hache-paille, laveur de racines, coupe-racines, cribleur de menues pailles, deux meules à affûter, tire-sacs, tarare, trieur de grains, pressoir mécanique, pompe à cidre1.

Dans son brevet de 1799, Philippe Lebon avait prédit que son « gaz hydrogène » (du gaz de bois, dont on peut supposer qu'il contenait au moins 50 % de dihydrogène) serait « une force applicable à toutes espèces de machine ». Le gaz de houille, inventé par William Murdoch à la même époque, est nommé « gaz hydrogène carboné » puis « gaz d'éclairage » (« gas light », voire gaz de ville et gaz manufacturé) et contient 50 % de dihydrogène, 32 % de méthane, 8 % de monoxyde de carbone. Certains gaz à l'eau, à destination de l'éclairage, contiendront jusqu'à 94 % de dihydrogène (voir Usine à gaz de Narbonne).

À partir de 1804, François Isaac de Rivaz construit les premiers moteurs à gaz utilisant du gaz de houille. Il s'inspire du fonctionnement du Pistolet de Volta pour construire le premier moteur à combustion interne dont il obtient le brevet le 30 janvier 1807.

En 1859, Étienne Lenoir dépose un « brevet d'un moteur à gaz et à air dilaté », un moteur à combustion interne à deux temps qui utilise le gaz de houille.

Le gaz d'éclairage est encore utilisé dans le moteur à gaz par Nikolaus Otto en 1867. Les grands constructeurs automobiles, Deutz AG, Daimler AG, Mercedes-Benz et BMW, sont redevables aux innovations du moteur à gaz apportées par celui-ci et à la création de la Gasmotoren-Fabrik Deutz AG (Deutz AG), fondée par Otto en 1872.

En 1970, Paul Dieges brevette une modification des moteurs à combustion interne qui autorise la consommation d'hydrogène2. Le brevet indique clairement que le but de l'invention est de fournir un combustible non-polluant à l'inverse des hydrocarbures.

En 1979, un Français, Jean-Luc Perrier, professeur de mécanique à Angers, conçoit et fabrique une voiture à hydrogène, le gaz étant produit par une centrale solaire fabriquée par lui-même.3

À partir de 1980, le constructeur automobile japonais Mazda planche sur l'application du dihydrogène aux moteurs rotatifs (Moteur Wankel) et en 1991 présente un concept de moteur rotatif à hydrogène au Salon automobile de Tokyo. En 2006, Mazda loue des véhicules Hydrogen RE aux bureaux du gouvernement nippon4.

La BMW Hydrogen 7, présentée pour la première fois au salon de Los Angeles en novembre 2006, serait la première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène5.

En 2013, une Aston Martin hybride roule sur le circuit du Nürburgring, qui fonctionne à l'hydrogène comprimé, l'essence ou un mélange des deux6.

Fonctionnement du moteur à hydrogène

Principe

chassis-mirai

Le moteur à hydrogène utilise le principe de la combustion du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) pour laisser comme produits de l'eau (H2O) et de l'énergie.

Moteur à combustion

Les moteurs à hydrogène peuvent être de deux conceptions distinctes : soit ils fonctionnent comme un moteur à combustion interne classique raccordé à un réservoir, soit ils comportent un moteur électrique branché sur une pile à combustible.

Dans tous les cas, la réaction chimique est la suivante :

2 H2 + O2 → 2 H2O
La quantité d'énergie Q est libérée lors de cette réaction.

Les applications peuvent être stationnaires ou embarquées (véhicules). Si le dihydrogène est pur, associé à l'oxygène prélevé dans l'air, sa combustion ne rejette que de l'eau. En théorie, si l'hydrogène est produit, de plus, à partir d'une source d'énergie non polluante, sa filière n'émet pas de polluants.

Le classique moteur à piston est peu adapté à la combustion de l'hydrogène pur. La faible densité du mélange hydrogène-air 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[réf. souhaitée]. Des alternatives, comme la quasiturbine ou le moteur Wankel s'en accommodent mieux (par exemple, la Mazda RX-8, à essence, et son double prototype, la Mazda RX-8 Hydrogen RE, à hydrogène). En outre, la formulation du carburant peut être adaptée aux moteurs à hydrocarbures, par adjonction d'additifs au dihydrogène (voir section #Moteur mixte).

Dans l'aviation, l'utilisation du dihydrogène comme carburant, éventuellement d'origine renouvelable, est envisagée à long terme par des constructeurs, en remplacement du kérosène7.

Pile à combustible

Article détaillé : Pile à combustible.

La pile à combustible produit de l'électricité et non pas un mouvement mécanique, le terme « moteur à hydrogène » est donc usurpé. Ce qui est couramment appelé « moteur à hydrogène » est en fait un ensemble pile à combustible + moteur électrique. De plus, l'hydrogène n'est pas le seul composé apte à être utilisé dans une pile à combustible, bien qu'on les associe souvent.

Moteur mixte

Article détaillé : Enrichissement du carburant par hydrogène.

L'adjonction de dihydrogène aux hydrocarbures utilisés classiquement comme carburants s'est avérée efficace8,9,10. Cependant, aucun système n'est capable de produire du dihydrogène in situ tout en augmentant le rendement du moteur. Ainsi, ce type de moteur ne résout pas les problèmes que pose le stockage du dihydrogène au sein du véhicule, puisqu'il nécessite aussi un réservoir de dihydrogène.

Contexte technique

L'utilisation productive d'une motorisation à l'hydrogène se confronte au problème du stockage du combustible et à celui de sa production.

Production du combustible

Article détaillé : Production d'hydrogène.

La production d'hydrogène est l'isolation du composé chimique, qui s'associe alors en dihydrogène, H2. Elle s'effectue en 2020 à 95 % à partir d'hydrocarbures et marginalement par électrolyse de l'eau, ce second procédé étant potentiellement plus écologique (selon la provenance de l'électricité consommée), mais plus coûteux car énergivore11.

Stockage du combustible

Article détaillé : Stockage de l'hydrogène.
Réservoir d'hydrogène liquide de Linde, Museum Autovision (Altlußheim, Allemagne).

À la fin des années 2010, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées12 :

  • le stockage comprimé gazeux (à différents niveaux de pressions) ;
  • le stockage liquide (la cryogénie, utilisée dans le domaine spatial) ;
  • le stockage moléculaire (« éponges à hydrogène »)13,14.

Avantages et inconvénients du système

Articles détaillés : Production d'hydrogène et Dihydrogène.

Avantages

Les moteurs à hydrogène eux-mêmes ne rejettent que de l'eau. Cette pollution locale quasi nulle pourrait notamment permettre de réduire la pollution de l'air en milieu urbain. En pratique, comme pour les véhicules à moteurs électriques, la pollution afférente est « délocalisée » sur les sites de production de l'hydrogène.

Une production d'hydrogène décentralisée permettrait hypothétiquement de pallier l'intermittence de certaines énergies renouvelables (panneaux photovoltaïques sur logements particuliers, ou éoliennes, par exemple)[réf. nécessaire].

Inconvénients

Le dihydrogène est aussi une source d'énergie primaire 15.

Il peut être produit à partir d'une autre source d'énergie. Si l'on recourt au vaporeformage du méthane, procédé majoritaire, les moteurs à hydrogène se révèlent moins écologiques que ceux au Diesel, le procédé libérant quantité de dioxyde de carbone, un important gaz à effet de serre16. Le procédé d'électrolyse de l'eau, en revanche, présente un bilan carbone plus vertueux, mais requiert d'importantes quantités d'électricité et souffre d'un faible rendement (40 %17), qui rend la voiture électrique plus rentable16.

D'un point de vue sécuritaire, le dihydrogène est inflammable et explosif tout comme l'essence lorsqu'il est au contact d'oxygène. Ce risque est accru par les difficultés de stockage et par le caractère fuyant de la molécule, qui s'échappe à travers les joints et les matériaux18.

Le stockage du dihydrogène au sein des véhicules pose également problème. Sous forme de gaz peu comprimé, il prendrait beaucoup trop de place pour être embarqué ; sous forme de gaz très comprimé, le risque d'auto-allumage augmente fortement, ce qui rend la maîtrise de la combustion délicate19. Les techniques d'absorption (rétention dans des composés chimiques) ou d'adsorption (fixation sur une molécule support) ne sont pas encore au point, malgré des progrès, et coûtent encore cher.

Le transport du dihydrogène, pour ces mêmes raisons, est deux fois plus coûteux que celui du gaz naturel, si bien que 80 % du prix à la pompe est dû au stockage, au transport et à la distribution16. Du fait de ces difficultés et risques, les stations d'avitaillement sont plus onéreuses à construire que leurs équivalents à hydrocarbures ou électriques11,20.

OIP (1)

Aspect environnemental

Souvent improprement nommé « moteur à eau », le moteur à hydrogène est généralement présenté comme moins émetteur de gaz à effet de serre qu'un moteur à hydrocarbures, puisqu'il ne dégage que de la vapeur d'eau. Pourtant, un moteur à hydrogène n'est moins polluant in fine qu'à la condition que le processus de production d'hydrogène et le fonctionnement du moteur lui-même dégagent moins de CO2 qu'un moteur Diesel (100 gCO2/km16). Ce n'est généralement pas le cas, la production d'hydrogène étant réalisée à 95 % à partir d'hydrocarbures. La production par électrolyse de l'eau, actuellement très minoritaire et offrant un faible rendement (voir supra), pourrait elle être alimentée par une électricité d'origine non carbonée, comme l'hydraulique, le nucléaire, la géothermie, l'éolien ou le solaire. Si cette filière venait à être rentable, la fabrication de moteurs à hydrogène pourrait être une voie écologiquement pertinente, face à d'autres solutions telles le véhicule électrique[Information douteuse]21.

Notes et références

  1. « La face cachée des énergies vertes » [archive], sur ARTE (consulté le 10 décembre 2020)

Voir aussi

Bibliographie

  • Edouard Freund, Paul Lucchese, L'hydrogène, carburant de l'après-pétrole ?, éditions Technip, 2012, 358 p. (lire en ligne [archive])
  • Pierre-Etienne Franc, Pascal Mateo, Hydrogène : la transition énergétique en marche !, éditions Gallimard, 2015, 160 p.

Articles connexes

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