La voiture du futur est là aujourd'hui. Bien sûr, vous ne pouvez pas encore en acheter un; mais si vous vivez en Californie, vous pouvez en louer un. Il n'utilise pas d'essence et ne pollue pas l'air. En fait, il produit de la vapeur au lieu de gaz d'échappement. Alors, quel est le carburant mystérieux ? Hydrogène - l'élément le plus simple et le plus abondant de l'univers. Et certaines personnes pensent que dans 20 à 30 ans, nous conduirons tous ces véhicules à hydrogène et économes en carburant.
Bien que les voitures à hydrogène aient un côté science-fiction, l'idée n'est pas vraiment nouvelle. En fait, la technologie d'utilisation de l'hydrogène pour produire de l'électricité existe depuis la première partie du 19e siècle, c'est-à-dire depuis plus longtemps que les voitures. Ce qui est nouveau, c'est que vous pourriez voir une voiture à hydrogène sur la route, avec de la vapeur sortant de son tuyau d'échappement au lieu de gaz nauséabonds. Plusieurs voitures à hydrogène existent aujourd'hui, mais la plupart d'entre elles sont des concept-cars. Ces machines à conduire respectueuses de l'environnement comprennent le Chevrolet Equinox, la BMW 745h et celle qui est actuellement disponible à la location en Californie, la Honda FCX.
Ce qui rend possible une voiture à hydrogène, c'est un dispositif appelé pile à combustible , qui convertit l'hydrogène en électricité, ne dégageant que de la chaleur et de l'eau comme sous-produits. Parce qu'il est non polluant, l'hydrogène apparaît comme le carburant idéal du 21e siècle. Beaucoup de gens au gouvernement et dans l'industrie automobile sont enthousiasmés par son potentiel. Les voitures à hydrogène ont le potentiel d'être économes en carburant et offrent l'espoir d'une conduite écologique et écologique. Mais il reste encore beaucoup de problèmes à surmonter et de questions auxquelles il faut répondre avant que l'hydrogène ne devienne le carburant de choix pour suffisamment de personnes pour faire une grande différence dans notre utilisation actuelle des combustibles fossiles. Par exemple, où obtiendrons-nous l'hydrogène? Quel sera le prix d'achat de ces voitures économes en carburant ? Saurez-vous trouver une station de ravitaillement en hydrogène pour remplir votre réservoir ? Et, peut-être le plus important, en tant que carburant, l'hydrogène est-il vraiment aussi non polluant qu'il n'y paraît ?
Nous examinerons ces questions dans les pages qui suivent, mais nous pouvons vous donner une réponse rapide dès maintenant :à moins que vous ne viviez dans des régions très spécifiques du pays et que vous ayez les poches pleines d'argent, ne vous attendez pas à une voiture à hydrogène. dans votre allée au cours de la prochaine décennie.
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En 1839, le scientifique gallois Sir William Robert Grove a pris le processus électrochimique familier de l'électrolyse, qui utilise l'électricité pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau, et l'a inversé, générant de l'électricité et de l'eau à partir de l'hydrogène. Il a appelé son invention une pile voltaïque à gaz, mais aujourd'hui nous la connaissons sous le nom de pile à combustible à hydrogène. Bien plus tard, au milieu du XXe siècle, la technologie a été développée par l'inventeur Francis Bacon. La technologie mise au point par ces deux inventeurs est essentielle au fonctionnement d'une voiture à hydrogène.
Le premier système de pile à combustible pratique a été développé au début des années 1960 par General Electric pour être utilisé dans des capsules spatiales orbitales. Et puis, dans les années 1990, les piles à combustible ont commencé à apparaître dans les bus urbains. nous savons donc qu'il est possible d'alimenter des véhicules avec des piles à combustible. Vous pouvez considérer une pile à combustible comme une sorte de batterie, sauf que si une batterie conserve son carburant à l'intérieur d'elle-même, une pile à combustible doit être rechargée. Le carburant d'une pile à combustible à hydrogène est, comme son nom l'indique, l'hydrogène. Comme vous vous en souvenez peut-être en classe de chimie au lycée, l'hydrogène est le plus simple de tous les éléments. Un atome d'hydrogène est constitué d'un seul électron et d'un seul proton. La pile à combustible génère de l'électricité en éliminant les électrons des protons et en utilisant les électrons pour créer un flux pur d'électricité. Les atomes d'hydrogène ionisés se combinent ensuite avec l'oxygène pour former de l'eau. L'autre sous-produit de ce processus est la chaleur, donc cette eau prend généralement la forme de vapeur. Qu'en est-il de la conduite écologique ?
Le type de pile à combustible utilisé dans les voitures est la pile à combustible à membrane échangeuse de polymères (ou PEM). Les piles à combustible PEM ont l'avantage d'être légères et petites. Ils sont constitués de deux électrodes (une anode chargée négativement et une cathode chargée positivement), un catalyseur et une membrane. L'hydrogène est forcé dans la pile à combustible à l'anode sous la forme de molécules H2, chacune contenant deux atomes d'hydrogène. Un catalyseur à l'anode décompose les molécules en ions hydrogène (les protons) et en un flux d'électricité (les électrons). Les ions traversent la membrane, mais l'électricité doit circuler. Pendant qu'il le fait, il peut être exploité pour effectuer des travaux. Tout comme l'hydrogène est forcé dans la pile à combustible à l'anode, l'oxygène est forcé à la cathode. Les protons et les électrons se réunissent à la cathode et se joignent à l'oxygène pour former de l'eau, dont la plupart deviennent les gaz d'échappement de la pile à combustible. Les piles à combustible sont conçues pour être plates et minces, principalement pour pouvoir être empilées. Plus il y a de piles à combustible dans la pile, plus la tension de l'électricité produite par la pile est élevée.
Beaucoup de gens pensent que les véhicules économes en carburant comme les voitures à hydrogène seront cruciaux pour répondre aux besoins énergétiques du 21e siècle. En 2003, le président George W. Bush a annoncé une initiative Freedom Fuel de 1,2 milliard de dollars pour soutenir le développement de la technologie des piles à combustible. Les piles à combustible présentent deux avantages majeurs par rapport aux combustibles fossiles. Premièrement, ils n'épuisent pas l'approvisionnement mondial limité en pétrole, ce qui nous aide à préserver les approvisionnements existants et ils pourraient également réduire notre dépendance vis-à-vis du pétrole étranger. Deuxièmement, les seuls sous-produits du fonctionnement d'une pile à combustible sont la chaleur et l'eau, ce qui signifie que les piles à combustible ne produisent pas de pollution. Ceci est d'une importance vitale à une époque où l'on pense que les émissions de carbone des voitures favorisent le réchauffement climatique.
À la page suivante, nous verrons comment les voitures à hydrogène et les piles à combustible sont produites. Et peut-être plus important encore, nous verrons d'où viendra l'hydrogène lui-même.
Alors, comment les fabricants construisent-ils réellement des véhicules économes en carburant, comme les voitures à pile à combustible ? Eh bien, la production de voitures à hydrogène n'est pas très différente de la production de voitures typiques. Bien sûr, le groupe motopropulseur, par exemple, et les systèmes électriques seront quelque peu uniques car une pile à combustible crée de l'électricité. Par conséquent, une voiture à hydrogène et une voiture électrique ont beaucoup en commun à cet égard. Une question peut-être plus importante est de savoir comment l'hydrogène lui-même sera produit. Étant donné que l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, constituant environ 90 % des atomes existants, on pourrait penser que ce ne serait pas un problème. Eh bien, détrompez-vous. L'hydrogène est également l'élément le plus léger de l'univers et tout hydrogène non contenu à la surface de la Terre flottera immédiatement dans l'espace. Ce qui reste d'hydrogène sur cette planète est lié à d'autres éléments sous forme moléculaire, le plus souvent dans les molécules d'eau (H2O). Et il se trouve qu'il y a beaucoup de H2O à la surface de la Terre.
Mais comment séparer les molécules d'hydrogène dans l'eau des molécules d'oxygène ? Et si nous n'utilisons pas l'eau comme source d'hydrogène, où pouvons-nous obtenir de l'hydrogène ?
Le moyen le plus simple d'obtenir de l'hydrogène à partir de l'eau est celui que Sir William Grove connaissait il y a plus de 150 ans :l'électrolyse. Si vous faites passer un courant électrique dans l'eau, les molécules H2O se décomposent. Semblable au fonctionnement des piles à combustible, ce processus utilise une anode et une cathode, généralement fabriquées à partir de métaux inertes. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à l'eau, de l'hydrogène se forme à la cathode et de l'oxygène se forme à l'anode. Bien que ce processus soit lent, il peut être réalisé à grande échelle.
Une autre source d'hydrogène est le gaz naturel, composé d'hydrocarbures naturels. Un processus appelé reformage à la vapeur peut être utilisé pour séparer l'hydrogène du gaz du carbone. À l'heure actuelle, il s'agit de la méthode la plus courante de production d'hydrogène à l'échelle industrielle et serait probablement la première méthode utilisée pour produire de l'hydrogène pour les véhicules à pile à combustible. Malheureusement, ce processus utilise des combustibles fossiles -- le gaz naturel -- donc si le but de la construction de voitures fonctionnant à l'hydrogène est d'éviter d'épuiser les réserves de combustibles fossiles, le gaz naturel serait la pire source possible de ce combustible.
Certains experts ont suggéré qu'il pourrait être possible de construire des usines d'hydrogène miniatures pouvant tenir dans le garage de la personne moyenne, de sorte qu'il ne sera même pas nécessaire de se rendre à la station-service locale pour remplir le réservoir d'hydrogène de la voiture. La forme la plus extrême de cette idée a été la suggestion que l'électrolyse pourrait être effectuée à l'intérieur de la voiture elle-même, ce qui rendrait possible l'idée étonnante d'une voiture qui fonctionne à l'eau ! Cependant, l'énergie nécessaire à l'électrolyse doit provenir d'une sorte de batterie, de sorte qu'une voiture à eau devrait être rechargée périodiquement.
Alors, les véhicules écologiques tels que les véhicules équipés de piles à combustible sont-ils vraiment les voitures du futur ? Beaucoup de gens l'espèrent, mais il existe plusieurs obstacles potentiels sur la voie d'un monde où les gens se déplaceront dans des voitures fonctionnant à l'hydrogène. Nous les examinerons à la page suivante.
Beaucoup de gens croient que les piles à combustible à hydrogène sont la technologie de carburant de remplacement la plus importante actuellement en développement. Ce n'est cependant pas sans problèmes, et il faudra peut-être des décennies avant que la technologie des piles à combustible ne soit largement utilisée. Nous pouvons grossièrement regrouper les problèmes liés à l'hydrogène en trois catégories :les coûts de développement de la technologie, les difficultés et les dangers liés au stockage de l'hydrogène et la possibilité que cette "technologie non polluante" ne soit pas si non polluante après tout. Voici quelques-uns des revers des voitures à hydrogène auxquels nous pouvons nous attendre à faire face dans un proche avenir.
Les coûts de développement de la technologie de l'hydrogène sont élevés. Non seulement devons-nous concevoir et développer les piles à combustible et les voitures, mais nous devons développer une infrastructure pour soutenir ces véhicules économes en carburant. Imaginez si vous possédiez actuellement une voiture à hydrogène. Où iriez-vous pour remplir votre réservoir ? En supposant que vous n'ayez pas d'installation de production d'hydrogène dans votre garage, vous aurez besoin d'une station de ravitaillement en hydrogène, et le seul endroit où un nombre significatif de telles stations existe actuellement est dans l'État de Californie, où le gouverneur Arnold Schwarzenegger a engagé à soutenir un avenir hydrogène. Certaines des estimations les plus pessimistes ont évalué le coût de la construction d'une infrastructure qui permettra à un nombre important de voitures à hydrogène à 500 milliards de dollars, et le temps nécessaire pour produire l'infrastructure jusqu'à quatre décennies !
Le coût des voitures est également élevé. Le platine étant le catalyseur le plus largement utilisé dans les piles à combustible, le prix d'un seul véhicule à pile à combustible est actuellement supérieur à 100 000 $ et même peut-être considérablement plus, c'est pourquoi les seules voitures à hydrogène que vous pouvez conduire actuellement sont à louer. , pas à vendre. Peu de gens sont en mesure de s'offrir une voiture aussi chère. D'autres catalyseurs sont en cours de développement qui seront probablement moins chers que le platine, mais personne ne sait dans combien de temps ils seront disponibles pour une utilisation à grande échelle.
Le problème du stockage est également épineux. L'hydrogène est un gaz et il aime se répandre. Le mettre dans une voiture signifie le réduire à une taille raisonnable, et ce n'est pas facile. De plus, l'hydrogène se réchauffe lorsqu'il se trouve dans le réservoir d'une voiture garée, ce qui provoque l'expansion du gaz. Cela signifie que les réservoirs doivent évacuer périodiquement l'hydrogène de la voiture. Laissez une voiture à hydrogène reposer pendant plus de quelques jours et tout le carburant sera épuisé. L'hydrogène est également hautement inflammable - l'explosion spectaculaire du dirigeable Hindenburg dans les années 1930 est considérée par certains comme le résultat d'un feu d'hydrogène - donc, si l'hydrogène sort du réservoir, il a le potentiel d'être dangereux . Heureusement, les feux d'hydrogène ne sont pas aussi chauds que les feux d'essence et sont moins susceptibles de déclencher des incendies secondaires. Et parce que l'hydrogène monte, la plupart de l'hydrogène qui s'échappe s'envolera avant de pouvoir faire le moindre mal.
Et l'hydrogène est-il vraiment non polluant ? Une pile à combustible ne produit que de la chaleur et de l'eau comme gaz d'échappement, mais les processus utilisés pour créer l'hydrogène ne sont pas nécessairement aussi propres. L'électrolyse utilise de l'électricité et cette électricité proviendra souvent d'usines qui brûlent du charbon, une source très polluante. Et lorsque l'hydrogène est extrait du gaz naturel, il produit des émissions de carbone, ce que nous essayons d'éviter en utilisant l'hydrogène en premier lieu.
Beaucoup de gens pensent que nous finirons par surmonter ces obstacles, mais ce sera difficile. D'autres pensent que notre meilleur pari pour l'efficacité énergétique et la conduite écologique dans un avenir proche ne réside pas dans l'hydrogène mais dans les véhicules électriques hybrides, comme la Toyota Prius, la Ford Fusion hybride et d'autres voitures hybrides similaires. Pourtant, il est possible qu'au cours des deux prochaines décennies, vous possédiez une voiture à pile à combustible à hydrogène.
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