Tendances et perspectives des piles à combustible à hydrogène pour des transports propres
Cet article se concentrera sur les piles à combustible à hydrogène, les tendances et les perspectives de leur application. Les piles à combustible à base d'hydrogène attirent aujourd'hui de plus en plus l'attention de l'industrie automobile, car si le 20e siècle a été le siècle du moteur à combustion interne, le 21e siècle pourrait devenir le siècle de l'énergie hydrogène dans l'industrie automobile. . Déjà aujourd'hui, grâce aux piles à hydrogène, les vaisseaux spatiaux fonctionnent, et dans certains pays du monde, l'hydrogène est utilisé depuis plus de 10 ans pour produire de l'électricité.
Une pile à hydrogène est un dispositif électrochimique comme une batterie qui génère de l'électricité par une réaction chimique entre l'hydrogène et l'oxygène, et le produit de la réaction chimique est de l'eau pure, tandis que la combustion du gaz naturel, par exemple, produit du dioxyde de carbone nocif pour l'environnement.
De plus, les piles à hydrogène peuvent fonctionner avec une plus grande efficacité, c'est pourquoi elles sont particulièrement prometteuses. Imaginez des moteurs de voiture efficaces et respectueux de l'environnement.Mais toute l'infrastructure est actuellement construite et spécialisée pour les produits pétroliers, et l'introduction à grande échelle des piles à hydrogène dans l'industrie automobile se heurte à cet obstacle et à d'autres.
Pendant ce temps, depuis 1839, on sait que l'hydrogène et l'oxygène peuvent se combiner chimiquement et ainsi obtenir un courant électrique, c'est-à-dire que le processus d'électrolyse de l'eau est réversible - c'est un fait scientifique confirmé. Déjà au 19ème siècle, les piles à combustible ont commencé à être étudiées, mais le développement de la production de pétrole et la création du moteur à combustion interne ont laissé les sources d'énergie hydrogène et elles sont devenues quelque chose d'exotique, peu rentable et coûteux à produire.
Dans les années 1950, la NASA a été contrainte de recourir à des piles à combustible à hydrogène, puis par nécessité. Ils avaient besoin d'un groupe électrogène compact et efficace pour leur vaisseau spatial. En conséquence, Apollo et Gemini ont volé dans l'espace avec des piles à combustible à hydrogène, ce qui s'est avéré être la meilleure solution.
Aujourd'hui, les piles à combustible sont complètement hors de la technologie expérimentale et, au cours des 20 dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans leur commercialisation plus large.
Ce n'est pas en vain que de grands espoirs sont placés sur les piles à hydrogène. Au cours de leur travail, la pollution de l'environnement est minime, les avantages techniques et la sécurité sont évidents, de plus, ce type de carburant est fondamentalement autonome et est capable de remplacer les batteries au lithium lourdes et coûteuses.
Le combustible d'une pile à hydrogène est converti en énergie directement au cours d'une réaction chimique, et ici plus d'énergie est obtenue qu'avec une combustion conventionnelle.Il consomme moins de carburant et son efficacité est trois fois supérieure à celle d'un appareil similaire utilisant des combustibles fossiles.
Le rendement sera d'autant plus élevé que la manière d'utiliser l'eau et la chaleur générées lors de la réaction sera mieux organisée. Les émissions de substances nocives sont minimes, car seules de l'eau, de l'énergie et de la chaleur sont libérées, tandis que même avec le processus le mieux organisé de combustion de combustible traditionnel, des oxydes d'azote, du soufre, du carbone et d'autres produits de combustion inutiles se forment inévitablement.
De plus, les industries des combustibles conventionnels elles-mêmes ont un effet néfaste sur l'environnement et les piles à combustible à hydrogène évitent une invasion dangereuse de l'écosystème, car la production d'hydrogène est possible à partir de sources d'énergie entièrement renouvelables. Même la fuite de ce gaz est inoffensive, car il s'évapore instantanément.
La pile à combustible n'a pas d'importance à partir de laquelle l'hydrogène combustible est obtenu pour son fonctionnement. La densité d'énergie en kWh / l sera la même, et cet indicateur augmente constamment avec l'amélioration de la technologie de création de piles à combustible.
L'hydrogène lui-même peut être obtenu à partir de n'importe quelle source locale pratique, qu'il s'agisse de gaz naturel, de charbon, de biomasse ou d'électrolyse (par le vent, l'énergie solaire, etc.). La dépendance vis-à-vis des fournisseurs régionaux d'électricité disparaît, les systèmes sont généralement indépendants des réseaux électriques.
Les températures de fonctionnement de la cellule sont assez basses et peuvent varier de 80 à 1000°C, selon le type d'élément, alors que la température dans un moteur à combustion interne moderne classique atteint 2300°C.La pile à combustible est compacte, émet un minimum de bruit lors de la génération, n'émet aucune émission de substances nocives, elle peut donc être placée à n'importe quel endroit pratique du système dans lequel elle fonctionne.
En principe, non seulement l'électricité, mais aussi la chaleur dégagée lors d'une réaction chimique peuvent être utilisées à des fins utiles, par exemple pour chauffer de l'eau, chauffer ou refroidir des locaux - avec cette approche, l'efficacité de la production d'énergie dans une cellule sera approchée 90 %.
Les cellules sont sensibles aux changements de charge, de sorte que plus la consommation d'énergie augmente, plus de carburant doit être fourni. Ceci est similaire au fonctionnement d'un moteur à essence ou d'un générateur à combustion interne. Techniquement, la pile à combustible est mise en œuvre assez simplement, car il n'y a pas de pièces mobiles, la conception est simple et fiable et la probabilité de défaillance est fondamentalement extrêmement faible.
Une pile à combustible hydrogène-oxygène à membrane échangeuse de protons (par exemple «à électrolyte polymère») contient une membrane conductrice des protons d'un polymère (Nafion, polybenzimidazole, etc.), qui sépare deux électrodes - une anode et une cathode. Chaque électrode est généralement une plaque de carbone (matrice) avec un catalyseur supporté - platine ou un alliage de platinoïdes et d'autres composés.
Sur le catalyseur anodique, l'hydrogène moléculaire se dissocie et perd des électrons. Les cations hydrogène sont transportés à travers la membrane jusqu'à la cathode, mais les électrons sont donnés au circuit externe car la membrane ne permet pas aux électrons de passer à travers. Sur le catalyseur cathodique, la molécule d'oxygène se combine avec un électron (qui est fourni par des communications externes) et un proton entrant et forme de l'eau, qui est le seul produit de la réaction (sous forme de vapeur et/ou de liquide).
Oui, les voitures électriques fonctionnent aujourd'hui avec des batteries au lithium. Cependant, les piles à hydrogène peuvent les remplacer. Au lieu d'une batterie, la source d'alimentation supportera beaucoup moins de poids. De plus, la puissance de la voiture peut être augmentée non pas du tout en raison de l'augmentation de poids due à l'ajout de cellules de batterie, mais simplement en ajustant l'alimentation en carburant du système lorsqu'il se trouve dans le cylindre. Par conséquent, les constructeurs automobiles ont des attentes élevées pour les piles à combustible à hydrogène.
Il y a plus de 10 ans, les travaux sur la création de voitures à hydrogène ont commencé dans de nombreux pays du monde, notamment aux États-Unis et en Europe. L'oxygène peut être extrait directement de l'air atmosphérique à l'aide d'un compresseur filtrant spécial situé à bord du véhicule. L'hydrogène comprimé est stocké dans une bouteille robuste sous une pression d'environ 400 atm. Le ravitaillement prend quelques minutes.
Le concept de transport urbain respectueux de l'environnement est appliqué en Europe depuis le milieu des années 2000. De tels bus de passagers existent depuis longtemps à Amsterdam, Hambourg, Barcelone et Londres.Dans une métropole, l'absence d'émissions nocives et la réduction du bruit sont extrêmement importantes. Le Coradia iLint, le premier train de voyageurs à hydrogène, a été lancé en Allemagne en 2018. D'ici 2021, 14 autres trains de ce type devraient être lancés.
Au cours des 40 prochaines années, le passage à l'hydrogène comme principale source d'énergie pour les voitures pourrait révolutionner l'énergie et l'économie mondiales. Bien qu'il soit maintenant clair que le pétrole et le gaz resteront le principal marché des carburants pendant encore au moins 10 ans.Néanmoins, certains pays investissent déjà dans la création de véhicules équipés de piles à combustible à hydrogène, malgré le fait que de nombreux obstacles techniques et économiques doivent être surmontés.
Créer une infrastructure d'hydrogène, des stations-service sûres est la tâche principale, car l'hydrogène est un gaz explosif. Quoi qu'il en soit, avec l'hydrogène, les coûts de carburant et d'entretien des véhicules peuvent être considérablement réduits et la fiabilité peut être augmentée.
Selon les prévisions de Bloomberg, d'ici 2040, les voitures consommeront 1 900 térawattheures au lieu des 13 millions de barils par jour actuels, ce qui représentera 8 % de la demande d'électricité, tandis que 70 % du pétrole produit dans le monde aujourd'hui va à la production de carburant de transport. . Bien sûr, à ce stade, les perspectives du marché des véhicules électriques à batterie sont beaucoup plus prononcées et impressionnantes que dans le cas des piles à combustible à hydrogène.
En 2017, le marché des véhicules électriques était de 17,4 milliards de dollars, tandis que le marché des voitures à hydrogène n'était évalué qu'à 2 milliards de dollars. Malgré cette différence, les investisseurs continuent de s'intéresser à l'hydrogène énergie et financent de nouveaux développements.
Ainsi, en 2017, le Conseil de l'hydrogène a été créé, qui comprend 39 grands constructeurs automobiles tels que Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Son objectif est la recherche et le développement de nouvelles technologies de l'hydrogène et leur large diffusion ultérieure.