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Véhicules à pile à hydrogène

Arrière d’une voiture équipée d’une pile à hydrogène

Arrière d’une voiture équipée d’une pile à hydrogène (gchutka, iStockphoto)

Arrière d’une voiture équipée d’une pile à hydrogène

Arrière d’une voiture équipée d’une pile à hydrogène (gchutka, iStockphoto)

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

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Dans ce document d’information, tu découvriras l’hydrogène et les véhicules qui l’utilisent comme carburant.

L’hydrogène est l’élément chimique le plus répandu dans l’univers. Il entre dans la composition des trois quarts de toute la matière. Mais savais-tu que l’hydrogène peut être utilisé comme carburant dans les véhicules, tout comme l’essence et le diesel? C’est ce que nous verrons ensemble.

Sur la Terre, l’hydrogène ne se trouve pas seul à l’état naturel. Il se joint à d’autres éléments, par exemple l’oxygène et le carbone, pour former des molécules. Les molécules d’eau, de dioxyde de carbone et de méthane sont des exemples de molécules qui contiennent de l’hydrogène.

Représentation de différentes molécules qui contiennent de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone.

Représentation de différentes molécules qui contiennent de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone (Source : Parlons sciences utilise une image de :LoopAll via iStockphoto).

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L’illustration ci-dessus présente une série de dessins en couleurs représentant des atomes ou des molécules.

Les dessins sont disposés sur trois rangées; chaque rangée contient trois dessins; le nom de chaque atome ou molécule est écrit sous chaque dessin.

En commençant par le coin supérieur gauche, la première image est intitulée « Oxygène ». L’oxygène est représenté par une sphère rouge portant la lettre O. La deuxième image est intitulée « Hydrogène ». L’hydrogène est représenté par une sphère bleue portant la lettre H. La troisième image est intitulée « Carbone ». Le carbone est représenté par une sphère noire portant la lettre C.

Dans la deuxième rangée, la première image est intitulée « Gaz oxygène, O2 ». Une molécule d’oxygène est représentée par deux sphères rouges reliées par un bâtonnet blanc. La deuxième image est intitulée « Gaz hydrogène, H2 ». Une molécule d’hydrogène est représentée par deux sphères bleues reliées par un bâtonnet blanc. La troisième image est intitulée « Eau, H2O ». Une molécule d’eau est représentée par deux sphères bleues et une sphère rouge; chaque sphère bleue est reliée par un bâtonnet blanc à la sphère rouge.

Dans la troisième rangée, la première image, intitulée « Dioxyde de carbone, CO2 », représente une molécule de CO2 par deux sphères rouges et une sphère noire. Chaque sphère rouge est reliée par deux bâtonnets blancs à la sphère noire. La deuxième image, intitulée « Éthane, C2H6 », représente une molécule d’éthane par deux sphères noires et six sphères bleues. Le 6ème H est caché car il pointe vers l'arrière et est donc caché par le Carbone. Les deux sphères noires sont reliées entre elles par un bâtonnet blanc. Trois sphères bleues sont reliées à chaque sphère noire par des bâtonnets. Dans le coin inférieur droit, la dernière image est intitulée « Méthane, CH4 ». Une molécule de méthane est représentée par quatre sphères bleues et une sphère noire. Chaque sphère bleue est reliée à la noire par un bâtonnet.

Pour servir de carburant dans les véhicules, l’hydrogène doit être à l’état pur. Cela signifie qu’il faut dissocier d’autres molécules pour récupérer l’hydrogène qu’elles contiennent. 

On peut obtenir de l’hydrogène par différents types de réactions chimiques.

L’un des moyens d’obtenir de l’hydrogène est de passer par une réaction chimique à deux étapes.

Dans la première étape, un hydrocarbure tel que le méthane (CH4) est combiné avec de la vapeur. La vapeur est une forme d’eau très chaude. Cette réaction produit du monoxyde de carbone (CO) et du gaz hydrogène (H2). La réaction chimique est représentée comme ceci :

CH4 + H2O (+ chaleur) CO + 3H2

À la deuxième étape, le monoxyde de carbone est combiné avec de l’eau. Les produits sont le dioxyde de carbone (CO2) et du gaz hydrogène. La réaction chimique est représentée comme ceci :

CO + H2O CO2 + H2 (+ un peu de chaleur)

Ce procédé n’est pas parfait, car il utilise des combustibles fossiles dans la réaction et comme source de chaleur.

Shown is a colour photograph of white steam billowing from two tall towers above a large building.

Vapeur rejetée par deux cheminées d’usine (Source : acilo via iStockphoto).

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Photographie couleur montrant de la vapeur blanche qui s’échappe en tourbillons de deux hautes tours qui s’élèvent au-dessus d’un grand bâtiment.

Les tours sont hautes et cylindriques. Elles sont grises à la base et blanches au sommet. Les nuages de vapeur sont soufflés vers la droite et se détachent contre le ciel gris-bleu qui occupe le fond de la photo.

À la base des tours, il y a un grand bâtiment gris. Il est percé d’une longue rangée de fenêtres et équipé de gros conduits de ventilation. Au premier plan, on voit le haut d’une rangée d’arbres dont les feuilles commencent à changer de couleur.

L'électrolyse est un procédé électrique utilisé pour dissocier des molécules d’eau. La réaction d’électrolyse comporte elle aussi deux étapes. Dans la première partie de la réaction, l’eau est décomposée pour former du gaz oxygène, des ions hydrogène et des électrons. La réaction chimique est représentée comme ceci :

2 H2O (liquide) O2(gaz) + 4 H+(aqueux) + 4e

La deuxième réaction combine des ions hydrogène et des électrons pour former du gaz hydrogène. La réaction chimique est représentée comme ceci :

2 H+(liquide) + 2e H2(gaz)

L’un des avantages de cette méthode est qu’elle ne dégage aucun gaz nocif. Quand des sources d’énergie renouvelables sont utilisées pour produire le courant électrique nécessaire, le procédé est neutre en carbone.

Shown is a colour photograph of buildings, wind turbines, and three tanks marked H2.

Usine de production d’hydrogène alimentée en énergie par des éoliennes (Source : Aranga87 via iStockphoto).

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Photographie couleur montrant des bâtiments, des éoliennes et trois réservoirs sur lesquels on peut lire H2.

Au premier plan, on voit trois longs réservoirs cylindriques marqués H2. Ils sont disposés en rangée près de deux bâtiments vert pâle aux toits foncés. Derrière eux, il y a trois grandes structures argentées coiffées de toits en dôme. À l’arrière-plan, trois hautes éoliennes déploient leur fine structure au-dessus de l’horizon. Derrière les éoliennes, quelques nuages gris et blancs flottent dans le ciel bleu.

Il y a deux types de véhicules à hydrogène :

  1. Véhicules à pile à hydrogène
  2. Moteurs hydrogène à combustion interne 

Ces véhicules sont équipés d’une pile à hydrogène. Une pile à hydrogène est un type de pile à combustible qui utilise l’hydrogène pour produire de l’électricité. L’électricité produite sert ensuite à faire fonctionner un moteur électrique semblable au moteur d’un véhicule électrique. 

Une pile à combustible fonctionne comme une batterie. Elle produit du courant électrique au moyen d’une réaction chimique. Cette réaction est une réaction d’électrolyse en sens inverse. Le gaz hydrogène contenu dans un réservoir à hydrogène est combiné avec l’oxygène de l’air. Ils réagissent ensemble en formant de l’eau et en produisant de l’électricité. L’électricité est utilisée pour faire fonctionner un moteur électrique.

Voiture à pile à hydrogène dans une station de remplissage hydrogène

Voiture à pile à hydrogène dans une station de remplissage hydrogène (Parlons sciences utilise une image d’Aranga87 via iStockphoto).

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Illustration en couleurs montrant une voiture arrêtée dans une station-service. En haut de la pompe, un panneau indique « Hydrogène ». Les pièces internes de la voiture sont visibles et identifiées à droite.

La station-service ressemble à une station d’essence ordinaire. Une grande structure blanche se dresse au centre, laissant de chaque côté l’espace nécessaire pour un véhicule. Au sommet de la structure, un panneau indique « Hydrogène ».

Une voiture est arrêtée sur le côté le plus proche. Sa carrosserie a été retirée pour montrer ses pièces internes dont les noms sont donnés à droite. En commençant à l’avant de l’auto, une boîte grise est identifiée « Batterie ». Elle est suivie d’un grand rectangle bleu identifié « Pile à combustible ». Au milieu de la voiture, un baril cylindrique encore plus grand est identifié « Réservoir d’hydrogène ». Entre les roues arrière, un objet gris de forme allongée est identifié « Moteur électrique ». À l’arrière de la voiture, un tuyau d’échappement rejette un nuage bleu pâle identifié « Eau ».

Les moteurs hydrogène à combustion interne fonctionnant à peu près comme les moteurs à combustion interne ordinaires. Ils brûlent l’hydrogène de la même façon que les voitures brûlent l’essence. 

Dans une réaction à combustion, un carburant est combiné à de l’oxygène. Les véhicules à hydrogène utilisent l’hydrogène comme carburant. La réaction chimique est représentée comme ceci :

2H2 + O2 2H2O + chaleur

La vapeur produite pousse sur un piston, ce qui permet au véhicule de se déplacer.

Shown is a colour animated GIF that shows what happens inside an internal combustion engine.

Animation montrant les quatre phases du fonctionnement d'un moteur à combustion. Le carburant entre à gauche et les gaz d'échappement sortent à droite (Source : UtzOnBike (œuvre dérivée) via Wikimedia Commons).

Animation - Version texte

Voici un GIF animé en couleur qui montre ce qui se passe à l'intérieur d'un moteur à combustion interne.
Dans le coin inférieur gauche, des chiffres noirs passent par 1, 2, 3 et 4 dans une boucle. 

En haut à gauche, une substance jaune s'écoule dans un tuyau. Au bas du tuyau, un bouchon gris, au bout d'une perche mobile, se déplace de haut en bas, bloquant d'abord puis permettant au liquide d'entrer dans une chambre située en dessous.
Lorsque la chambre est remplie de liquide jaune, une étincelle blanche provenant d'un bouchon vert situé sur le toit de la chambre rend la chambre rouge. La chambre devient ensuite rapidement grise. 

Lorsque la chambre est grise, un bouchon situé en haut à droite de la chambre laisse remonter la substance grise par un tuyau. L'extrémité de ce tuyau crache des fumées grises, comme le pot d'échappement d'une voiture. 

Au fond de la chambre, un large objet gris monte et descend à un rythme régulier. Il descend lorsque la chambre devient jaune, puis monte jusqu'à l'étincelle, puis descend lorsqu'elle est grise.

Un grand objet vert, rond, avec un sommet triangulaire pointu, est suspendu à une charnière sur le côté inférieur du large objet gris. Un demi-cercle gris qui y est attaché se déplace doucement autour d'une chambre vide.

Il y a cependant un aspect négatif à ce type de moteur. Sous l’effet de la chaleur produite par la réaction, l’azote contenu dans l’air se combine avec l’oxygène. La réaction est représentée comme ceci :

H2 + O2 + N2 H2O + NOx

La réaction produit de l’eau et des oxydes d’azote (NOx). Ces produits chimiques sont nocifs tant pour les humains que pour l’environnement. C’est pour cette raison que les moteurs hydrogène à combustion interne sont moins écologiques que les piles à hydrogène.

Le savais-tu?

Toyota a réussi une course d'endurance de 24 heures avec une voiture équipée d’un moteur hydrogène à combustion interne. 

La réponse à cette question dépend de la vocation du véhicule. Les piles à hydrogène conviennent parfaitement aux voitures et aux camions moyens. Pourquoi? Parce qu’ils ne transportent pas de charges lourdes ou n’ont pas besoin d’un moteur très puissant. 

Les moteurs hydrogène à combustion interne conviennent mieux aux véhicules qui transportent de lourdes charges, comme les camions-remorques. Ces moteurs fonctionnent mieux dans des véhicules qui travaillent fort! 

Shown is a colour photograph of a silver tank marked H2, strapped to the back of a large truck.

Réservoir d’hydrogène fixé sur le côté d’un camion-remorque (Source : Scharfsinn86 via iStockphoto).

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Photographie couleur montrant un réservoir argenté portant l’inscription « H2 ». Le réservoir est fixé par des courroies derrière la cabine d’un gros camion.

La photo montre l’arrière d’un camion-remorque sans conteneur d’expédition. Le réservoir est fixé horizontalement, et le conteneur d’expédition sera posé par-dessus. Le réservoir occupe l’espace entre les roues avant et celles du milieu.

Attention aux idées fausses!

Il y a des gens qui croient que les véhicules à pile à hydrogène sont dangereux parce que l’hydrogène est inflammable. En fait, les véhicules à pile à hydrogène ne sont pas plus dangereux que les véhicules à essence. Et ils sont peut-être même plus sécuritaires! Lorsqu’un réservoir d’hydrogène est endommagé, l’hydrogène s’échappe rapidement dans l’air ambiant. Il est donc peu probable qu’un incendie se déclenche. Lorsqu’un réservoir d’essence est endommagé, les vapeurs d’essence restent dans le réservoir. C’est pour cette raison que les accidents de la route présentent un risque élevé d’incendie. 

Les véhicules à pile à hydrogène sont une excellente option pour rouler sans émissions de carbone. Alors, pourquoi voit-on encore surtout des véhicules à essence sur les routes? Voyons ensemble quelques défis qui limitent la mise en circulation des véhicules à pile à hydrogène sur les routes du Canada.

Le coût sera très élevé pour mettre ces véhicules sur les routes et à la portée des consommateurs.

D’une part, il faudra mettre en place de nouvelles infrastructures. Il faudra, par exemple, construire des usines de production d’hydrogène, des installations pour stocker l’hydrogène et des stations de remplissage d’hydrogène. 

D’autre part, les véhicules à pile à hydrogène coûtent plus cher à construire que les véhicules à essence ordinaires. Ils coûteront donc plus cher à l’achat au début. Plus les gens en achèteront, plus leur prix devrait baisser. 

Les piles à hydrogène et les moteurs hydrogène à combustion interne sont encore des technologies relativement nouvelles. Pour généraliser leur utilisation, les gouvernements et les compagnies privées doivent investir davantage dans la recherche et les essais.

À l’heure actuelle, nous ne produisons pas beaucoup d’hydrogène à partir d’une source neutre en carbone.

Il reste encore du travail à faire pour créer des réserves d’hydrogène, surtout des réserves d’hydrogène produit sans combustibles fossiles

Actuellement, les avantages des véhicules à hydrogène sont peu connus du grand public, des industries et des gouvernements. 

Lorsque les gens connaîtront mieux cette technologie, ils achèteront probablement des véhicules à hydrogène et encourageront ainsi d’autres sources de financement pour la recherche. 

Malgré ces défis, les véhicules à hydrogène offrent de nombreuses possibilités.

Le Canada a tout ce qu’il faut pour construire des véhicules à hydrogène. Il compte beaucoup de personnes qualifiées et de lieux où elles peuvent travailler. De plus, le Canada produit une grande partie de son électricité à partir de sources d’énergie renouvelables. 

Pour devenir un chef de file dans ce domaine, le Canada aura besoin du soutien des industries, des gouvernements et du public. 

Le Canada dispose déjà de moyens pour distribuer et stocker de l’hydrogène. Il pourrait par exemple utiliser les pipelines de pétrole et de gaz existants. Mais il faudra auparavant les transformer pour le transport de l’hydrogène, ce qui prendra du temps et de l’argent. 

Comme pour tous les autres carburants, il faudra mettre en place un réseau de stations de remplissage. La création de ce réseau entraînera la création de nombreux emplois pour les Canadiens et Canadiennes. 

Le Canada est un grand pays, ce qui entraîne beaucoup de déplacements d’un endroit à l’autre. L’hydrogène peut jouer un rôle important en remplaçant les carburants fossiles dans les véhicules automobiles. Le passage de l’essence à l’hydrogène fait donc partie des solutions pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et lutter contre les changements climatiques.

Le savais-tu?

Le transport routier contribue à une grande partie des émissions de gaz à effet de serre.au Canada.

Les déplacements d’un endroit à l’autre seront toujours nécessaires, mais le carburant utilisé peut faire une grande différence pour l’environnement. En plus de réduire les émissions de carbone, l’utilisation de l’hydrogène à même le potentiel de créer un avenir neutre en carbone. Peux-tu imaginer un avenir où toutes les émissions provenant des véhicules seront de l’eau à 100 %? 

Clique sur ce lien pour en apprendre plus sur le plan d’action du Canada pour atteindre la neutralité en carbone d’ici 2050.

L’électrolyseur et la pile à combustible (2019)

Dans cette vidéo (4 min 19 s), découvrez le processus et les réactions chimiques impliquées dans la fabrication d'une pile à combustible.

Comment fabriquer de l’hydrogène? (2021)

Cet article sur gazmagazine contient des informations sur les méthodes utilisées pour créer de l'hydrogène.

Comment fabriquer de l'oxygène et de l'hydrogène à partir de molécules d'eau par électrolyse 

Cette activité pratique de WikiHow est un excellent moyen pour les élèves d'utiliser l'électricité pour décomposer l'eau en ses composants élémentaires.

Essai Toyota Mirai : la fée hydrogène? (2021)

Dans cette vidéo (11 min 57 s), faites un essai routier en France avec Maxime Fontanier un journaliste automobile qui donne son avis honnête sur la Toyota Mirai.

Références

Environment and Natural Resources Canada (2022). Net-Zero Emissions by 2050.

Let's Talk Science (2022). Earth Month: Green Energy.

Natural Resources Canada (2022). Energy from hydrogen: the basics.

Natural Resources Canada (2020). Hydrogen opportunities: Key findings.

Natural Resources Canada (2022). Producing hydrogen in Canada.

Natural Resources Canada (2021). Remaining Challenges.

Natural Resource Canada (2022). Using hydrogen in Canada.

Nebergall, J. (Jan 26, 2022). How do hydrogen engines work? Cummins.

Nebergall, J. (Jan 27, 2022). Hydrogen internal combustion engines and hydrogen fuel cells. Cummins.

U.S. Department of Energy (n.d.) Hydrogen Production Processes. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.