Moteur à eau
On appelle moteurs à eau différents types de moteurs, qu'ils soient fantaisistes ou fonctionnels :
- des moteurs qui fonctionneraient avec de l'eau sans apport d'énergie thermique ou mécanique : une vue de l'esprit puisque l'eau n'est pas un carburant et ne contient pas d'énergie utilisable. Ces « moteurs à eau » sont comparables au mouvement perpétuel, c'est-à-dire fondés sur la négation des principes de base de la chimie et de la physique ;
- des moteurs réels qui utilisent l'eau de différentes manières, mais non comme source d'énergie :
- des systèmes controversés promettant d'améliorer les moteurs à explosion avec un dispositif à eau. Ceux-ci jouent le plus souvent sur la température du mélange ou la pression et peuvent avoir un effet faible mais mesurable sur la consommation,
- des systèmes dans lesquels une autre source d'énergie permet la production de dihydrogène par craquage de l'eau, celui-ci étant ensuite utilisé par un moteur à hydrogène ou une pile à combustible, avec un bilan thermodynamique global négatif,
- par abus de langage, le moteur à hydrogène lui-même, qui recombine de l'oxygène et de l'hydrogène. L'eau est alors le résultat de la réaction chimique,
- des moteurs dans lesquels de la vapeur d'eau est détendue, après avoir été évaporée grâce à un apport d'énergie thermique, comme dans une turbine à vapeur. L'eau n'est dans ce cas qu'un moyen de transport de l'énergie,
- des moteurs exploitant l'eau comme agent propulsif, avec de l'air comprimé comme source d'énergiea,
- des systèmes utilisant l'énergie fournie par l'évaporation de l'eau en atmosphère sèche. Leur rendement est faible et ce sont surtout des curiosités de laboratoire car la puissance dégagée ne peut être que très faible.
Systèmes fonctionnels
Piles à combustible
Les piles à combustible fournissent de l'énergie électrique en consommant du dihydrogène par recombinaison avec du dioxygène. Elles ne consomment pas d'eau mais en produisent.
Injection d'eau dans les moteurs à combustion
Historiquement, l'injection d'eau fut utilisée pour des moteurs d'avions de combat à essence, elle complétait la capacité de refroidissement très ponctuellement. Aucune puissance supplémentaire n'était directement liée à cette eau mais elle permettait de ne pas surchauffer les cylindres lors d'une utilisation intensive. A plein régime, par exemple lors des cabrés, les capacités de refroidissement étant dépassées, un tout petit peu d'eau injectée en même temps permettait d'améliorer l'extraction de calories du cœur même du moteur. C'est la chaleur latente d'évaporation localisée qui était la principale source de ce refroidissement.
La masse à vide de l'avion étant le principal frein à sa charge utile, les constructeurs cherchaient les petits gains sur les avions de combat. Les moteurs à essence craignent beaucoup les phénomènes d'auto-allumage. Ceux-ci ont lieu au cours de la phase de compression du cycle de cylindre lorsque le moteur est trop chaud, provoquant l'explosion anticipée avant allumage. Ils induisent des cognements qui complètent la surchauffe. Ils peuvent conduire parfois à la destruction brutale du moteur.
Systèmes fondés sur l'évaporation
Lorsque l'air est sec, l'eau s'y évapore spontanément, en refroidissant un peu son environnement immédiat.
Ce refroidissement peut être calculé par des tables psychrométriques, et peut atteindre quelques degrés Celsius. C'est suffisant pour faire tourner un petit moteur à air chaud, mais sans offrir beaucoup de puissance, ou de fiabilité (l'air reste rarement sec : l'hiver, la nuit l'évaporation est négligeable). Afin d'accélérer l'évaporation, il est possible d'augmenter la ventilation de la zone humide et d'en diminuer la pression :
Systèmes controversés
Différents procédés prétendent améliorer le rendement du moteur en y injectant de l'eau. Les moteurs récents ont été améliorés jusqu'à intégrer des gains égaux voire supérieurs à ceux que pourrait apporter l'injection d'eau. L'utilisation de tels dispositifs ne pourrait que nuire au rendement et à la fiabilité des moteurs récents (entre autres en augmentant la corrosion).
La plus fréquente des controverses concerne l'utilisation d'un moteur à explosion classique, légèrement modifié. L'inox, par exemple, serait exploité pour éviter l'oxydation due aux résidus d'eau et à ses vapeurs. Par ailleurs, le principe d'électrolyse de l'eau afin d'en séparer les atomes de hydrogène et de dioxygène puis d'utiliser ces deux éléments mélangés comme comburant du carburant primaire dans un moteur de type diesel ou essence.
- Équation de formation du dihydrogène à partir de l'eau (par électrolyse par exemple) :
- 2 H2O + Q → 2 H2 + O2
- Équation de combustion du dihydrogène (dans la chambre de combustion d'une voiture) :
- 2 H2 + O2 → 2 H2O + Q
- où Q désigne la quantité d'énergieb utilisée ou produite.
En admettant qu'il n'y ait « aucune perte dans les processus de craquage et de combustion on ne retrouverait que l'énergie fournie au départ et rien de plus ».
La loi de la conservation de l'énergie implique que tout système à moteur thermique ne peut produire plus d'énergie qu'il n'en consomme1. Et le second principe de la thermodynamique introduit la notion d'irréversibilité des transformations2,3 du fait de l'augmentation de l'entropie (S) du système qui se traduit par la dégradation d'une partie de l'énergie, c'est-à-dire sa transformation inévitable en chaleur, énergie thermique perdue au détriment de l'énergie mécanique recherchée, par exemple sous la forme de frottements ou de résistance mécaniques. Ainsi, rajouter une phase d'électrolyse à bord du véhicule engendre une perte de rendement. Il n'est théoriquement pas intéressant, par exemple, de décomposer l'eau à l'aide de l'énergie fournie par l'essence pour exploiter le moteur principal avec l'hydrogène généré.
Autres évocations
Mythe urbain
Ce sujet est polémique chez les non-spécialistes, car l'imaginaire associé est très fort : l'enjeu financier que représenterait un moteur à eau pure est plus que considérable. De fait, les partisans de théorie du complot contre l'énergie libre estiment qu'un tel moteur pourrait exister, mais que son existence est étouffée par le lobby pétrolier.
La communauté scientifique démontre qu'un tel engin relève de la pseudo-science, aucune étude expérimentale ne pouvant donner de résultat positif. De fait, l'eau ne contient pas d'énergie utilisable : elle est elle-même le produit ou déchet d'une réaction qui a produit de l'énergie par la recombinaison d'hydrogène et d'oxygène. Ces réactions sont en particulier la combustion, qui produit de la chaleur, et la recombinaison dans une pile à combustible à hydrogène, qui produit du courant électrique. Suivant le principe de la conservation de l'énergie, pour dissocier (« casser ») la molécule d'eau, il faut lui fournir de l'énergie ; or, l'énergie fournie subséquemment pour former à nouveau cette molécule est inférieure à celle que l'on a dépensée, en raison notamment des pertes liées au procédé. Les moteurs à eau qui prétendent casser la molécule d'eau afin d'en tirer de l'énergie sont donc impossibles.
Notes et références
Notes
- Variation d'enthalpie si la transformation se fait à pression constante (Q = ΔH), d'énergie interne si elle se fait à volume constant (Q = ΔU).
Références
Articles connexes
Moteur à hydrogène
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 .
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, 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-même3.
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
Le moteur à hydrogène utilise l'oxydation du dihydrogène (H2) par le dioxygène (O2), qui ne produit que 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, pour les automobiles, la Mazda RX-8, à essence, et son double prototype, la Mazda RX-8 Hydrogen RE, à hydrogène). En outre, la composition 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
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 comprenant pile à combustible et 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
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 et la production à grande échelle de motorisations à l'hydrogène se confrontent au problème du stockage du combustible et à celui de sa production.
Production du combustible
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 (par vaporeformage du méthane) 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 énergivore11,12.
Stockage du combustible
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 envisagées13 :
- 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 »)14,15.
Avantages et inconvénients du système
Avantages
Bien que la production d'hydrogène soit ou fortement polluante (vaporeformage du méthane), ou fortement énergivore (si l'électrolyse de l'eau n'est pas accompagnée de récupération de chaleur16), les moteurs à hydrogène pur eux-mêmes ne rejettent que de l'eau. Cette pollution finale, localement quasi nulle, pourrait notamment permettre de réduire la pollution de l'air en milieu urbain. En pratique, la pollution afférente est « délocalisée » sur les sites de production de l'hydrogène.
Inconvénients
Le dihydrogène doit être produit à partir d'une autre source d'énergie. Si l'on recourt au vaporeformage du méthane, procédé largement 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 serre17. Le procédé d'électrolyse de l'eau, en revanche, présente un bilan carbone plus vertueux, mais requiert d'importantes quantités d'électricité, dont la production est elle-même émettrice de gaz à effet de serre, et souffre encore d'un faible rendement (40 %16) ; la voiture électrique est ainsi plus rentable que son équivalent à hydrogène17.
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 distribution17. Du fait de ces difficultés et risques, les stations d'avitaillement sont plus onéreuses à construire que leurs équivalents à hydrocarbures ou électriques12,20.
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, son acheminement et le fonctionnement du moteur lui-même dégagent moins de CO2 que les filières classiques à essence. 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 est actuellement très minoritaire, en raison notamment d'un faible rendement (voir supra) et donc de son coût ; si cela venait à évoluer, comme le laissent espérer certaines recherches21, elle pourrait être alimentée par de l'électricité décarbonée comme l'hydraulique, le nucléaire, la géothermie, l'éolien ou le solaire, voire compenser l'intermittence des énergies renouvelables en stockant leur production excédentaire17.
Notes et références
- Louis Figuier, Les merveilles de la science, ou Description populaire des inventions modernes Livre numérique Google [archive].
- (en) Paul Bertrand Dieges, « Vaporization of exhaust products in hydrogen-oxygen engine » [archive], brevet no 3844262, 29 octobre 1974.
- « 1979, un Français fabrique une voiture à hydrogène » [archive], sur Institut national de l'audiovisuel (consulté le )
- (en) Advanced Rotary Engines [archive], Mazda.
- BMW Hydrogen 7, première voiture de série fonctionnant à l'hydrogène [archive], sur moteurnature.fr
- « Aston Martin : l’hydrogène entre en course » [archive], Cartech, avril 2013.
- « Guillaume Faury, patron d’Airbus : « Il ne faut jamais gâcher une bonne crise » » [archive], Le Monde, .
- (en) Changwei Ji et Shuofeng Wang, « Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean conditions », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, (lire en ligne [archive]).
- (en) Marius J. Rauckis, William J. McLean, « The Effect of Hydrogen Addition on Ignition Delays and Flame Propagation in Spark Ignition Engines », Combustion Science and Technology, vol. 19, (lire en ligne [archive]).
- (en) Fukutani et Kunioshi, « Fuel Mixing Effects on Propagation of Premixed Flames - hydrogen plus carbon monoxide flames », Bulletin of the Chemical Society of Japan, (lire en ligne [archive] [PDF]).
- Celia Izoard, L'hydrogène trop gourmand en énergie pour être écologique [archive], Reporterre, .
- Gabriele Porrometo, « Voiture à hydrogène : quels avantages et inconvénients par rapport aux voitures électriques ? », Numerama, (lire en ligne [archive], consulté le ).
- « L'hydrogène, les nouvelles technologies de l'énergie », Clefs CEA, nos 50/51, hiver 2004-2005 (ISSN 0298-6248).
- « Stocker les énergies renouvelables grâce à l’hydrogène solide » [archive], sur Contrepoints, (consulté le ).
- « L'hydrogène solide, une révolution est en cours dans la production d'énergie » [archive], sur moovely.fr, (consulté le ).
- « Hydrogène énergie » [archive], sur Connaissance des Énergies, (consulté le ) (mis à jour le ).
- Jean-Luc Moreau, « Hydrogène – Pile à combustible : à quand le décollage ? », Auto Moto, (lire en ligne [archive]).
- « Les technologies gagnent en maturité » [archive], Industrie et Technologies, (consulté le ).
- « Inflammation par compression adiabatique » [archive] [PDF], INERIS, .
- (en) « What you need to know about hydrogen fuel cell vehicles » [archive], sur Engadget, (consulté le ).
Voir aussi
Bibliographie
- Edouard Freund, Paul Lucchese, L'hydrogène, carburant de l'après-pétrole ?, éditions Technip, , 358 p. (lire en ligne [archive])
- Pierre-Etienne Franc, Pascal Mateo, Hydrogène : la transition énergétique en marche !, éditions Gallimard, , 160 p.
Articles connexes