Nous avons vu hier les conditions générales de production et d’utilisation de l’hydrogène et aujourd’hui et demain, car je ne veux pas vous ennuyer par un article trop long, , je parlerai des applications pratiques.
         Ce qui est le plus connu du grand public, ce sont les possibilités d’application aux voitures de tourisme. C’est ce que nous allons détailler davantage aujourd'hui, mais des applications importante sen matière de transport sont aussi camions et bus ou cars, mais aussi des trains , des bateaux et des avion, et nous en parlerons demain.

                   Estimons d’abord les consommations :

        1 kg d’hydrogène = 11 m3 à pression ambiante et peut produire environ 33 kWh
       1 litre d’essence produit environ 9 kWh et est donc équivalent à 3 000 litres d’hydrogène.
Ces 3 000 litres à ma pression atmosphérique ne représentent plus que 7 litres sous 700 bars et 4 litres liquéfiés.

         Le gaz liquéfié n’est guère utilisable, d’une part parce qu’il faut le conserver à -253 d°C ce qui exige une isolation très importante et d’autre part il bout dès qu’il est à température ordinaire, ce qui entraine des pertes lorsqu’on le « sort » du réservoir pour l’utiliser.

        Examinons le cas d’une voiture consommant 7 litres d’essence / 100 km sur autoroute. Elle consommera 21 000 litres d’hydrogène / 100 km soit environ 2 kg d’hydrogène, ce qui est un poids négligeable, mais un volume prohibitif. Comprimé à 700 bars, le volume ne sera que de 49 litres / 100 km. 
       Avec l’hydrogène sous 700 bars, il faudra un réservoir de 300 litres contenant 12kg d’hydrogène, mais pesant lui même de l’ordre de 250 kg et dont le poids total ne diminue pratiquement pas quand on vide le réservoir en circulant.
       La voiture à hydrogène a donc un surpoids de plus de 200 kg par rapport à une voiture à essence, dû à ce réservoir qu’il faut transporter, ce qui consomme de l’énergie.
       Compte tenu de l’épaisseur des parois du réservoir, le volume occupé est de l’ordre de 400 litres, soit 10 fois plus que le réservoir à essence, et le poids 6 fois plus important.
      Cela entraine forcément une voiture plus importante que celle qui utiliserait l’essence.

               Quelle motorisation utiliser :

          Deux solutions sont actuellement en concurrence :
                   - utiliser l’hydrogène dans un moteur à explosion classique, adapté à cet usage, ou bien      
                   - utiliser des moteurs électriques, en produisant l’électricité à partir de l’hydrogène dans une pile à combustible. 

          J’avais fait le 22 août 2020 un article sur les piles à combustible et le 23 août sur leur utilisation avec de l’hydrogène. Je ne vais donc faire qu’un bref résumé.
          Une “pile à combustible” désigne un appareil qui permet de récupérer de l’énergie électrique à partir de l’hydrogène. 
          Une pile à combustible est en quelque sorte l’inverse d’un électrolyseur. Les réactions chimiques sont les mêmes que dans l’électrolyseur, mais inversées (voir schéma ci contre).
    L’hydrogène traverse un diffuseur - une matière carbonée poreuse - et atteint l'anode de la pile où il est dissocié en deux protons H+ et deux électrons.
    Les électrons circulent dans les circuits électriques des utilisateurs et reviennent  vers la cathode.
    Les protons produits à l’anode traversent une membrane en polymère et sont attirés par la cathode, où ils se combinent à des électrons libérés par cette électrode et à de l’oxygène, reformant de l'eau.
    Les électrodes, l’anode et la cathode sont constituées de fines particules - des nanotubes de carbone ou des grains de noir de carbone de 50 nanomètres de diamètre sur lesquelles est déposé un catalyseur qui facilite la recombinaison H2 / O2. Initialement ce catalyseur était constitué de fines particules de platine de quelques nanomètres de diamètre, ce qui est extrêmement onéreux. 
          De nombreuses autres solutions sont essayées : combinaison de métaux, molécules organiques.                                      
          Les diffuseurs que l’on voit sur le schéma sont destinés à bien répartir oxygène et hydrogène sur les électrodes. 

        Il y a donc deux manières d'utiliser l'hydrogène dans des véhicules. 
                 - soit on l’utilise directement  dans un moteur à explosion conventionnel dont le rendement est de 25%,  (on récupère 25% de l’énergie de l'hydrogène contenue dans le réservoir pour faire avancer le véhicule, comme pour l’essence).
             - soit on transforme l’hydrogène en électricité dans une pile à combustible pour faire tourner un moteur électrique ; le rendement est alors de 50%.
       On aurait donc intérêt à choisie la version électrique.
       Mais actuellement en l’absence de série de voitures à hydrogène,  une pile à combustible coûte de l’ordre de 40 000 € (ce prix baisserait d’un facteur 5 à 10 pour une production en série de 500 000), alors que le moteur à combustion n’est pas plus cher qu’un moteur standard (par contre il est possible qu’il s’use plus vite par corrosion).
       Donc, en attendant que le prix d’une PAC soit divisé au moins par cinq et que les problèmes de fiabilité soient résolus, brûler de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne classique restera plus rentable pour encore de nombreuses années.

          En raison du changement climatique qu’il faut limiter, et des problèmes actuels d’approvisionnement en énergie, de nombreuses études sont faites pour trouver de nouvelles énergies.

          L’utilisation de l’hydrogène (plus exactement le di-hydrogène H₂), est une piste prometteuse, car sa combustion, au lieu de produire du gaz carbonique CO₂, ne produit que de l’eau H₂O, alors que l’énergie fournie par un kg d’hydrogène est deux fois supérieure à celle provenant d’un kg de gaz et trois fois celle provenant d’un kg d’essence.
          Mais l’hydrogène étant très léger, 1 kg d’hydrogène occupe à la pression atmosphé-rique normale 11 m³. Il est donc difficile à stocker et à transporter car on doit alors le mettre sous de grandes pressions, de l’ordre de 250 bars, voire même à 700 bars. Il faut alors des réservoirs d’acier très résistants qui pèsent très lourd. Et si on le liquéfie à -273 d°C, il faut alors un isolementnt thermique du réservoir très conséquent.
        L’hydrogène a par ailleurs un inconvénient, c’est qu’il ne peut être (actuellement) extrait naturellement (comme le charbon), et qu’il doit être produit.

         L’Europe fait actuellement un grand effort de recherche dans le domaine de l’hydrogène, et les investissements pourraient atteindre 430 milliards dans les 30 prochaines années et la France a un plan à dix ans de 7 milliards d’euros. Mais pour le moment l’hydrogène ne représente que moins de 2% de la consommation énergétique européenne. Actuellement les 74 millions de tonne produites annuellement sont issues à 96% de la transformation chimique de produits carbonés, principalement du gaz méthane CH₄. Ce n'est donc pas écologique.

          L’approvisionnement en hydrogène pose donc problème, car la voie chimique est chère et coûteuse en énergie, utilisant des produits carbonés.
          Une solution envisagée est d’utiliser l’électrolyse de l’eau, qui produit de l’oxygène à l’anode et de l’hydrogène à la cathode. 1 litre d’eau produit 100 g d’hydrogène et il faut environ 6,5 kWh d’électricité.
          Evidemment la démarche perd tout intérêt écologique si on produit l’électricité à partir de sources carbonées, et il faut donc que ce soit à partir d’énergie nucléaire ou à partir des énergies intermittentes produites par les éoliennes et les capteurs solaires photoélectriques, dont l’électricité est difficile et onéreuse à stocker et dont il serait intéressant d’utiliser ainsi l'excédent qu'il est difficile d'injecter dans un réseau .
           Mais l’opération de production a un mauvais rendement de l’ordre de 28 %.
          Une voie naturelle et également possible, probablement plus rentable. On a en effet découvert qu’il existait des poches de gaz hydrogène dans des roches anciennes. Des roches s’oxydent au contact de l’eau, gardent l’oxygène et libèrent de l’hydrogène. Cela était connu depuis une trentaine d’années, dans des zones volcaniques sous l’océan, mais des sites terrestres ont été découverts.
          Dans un forage au Mali, la pression de la nappe n’est pas retombée, ce qui indique une production continue. Les zones géologiques sont celles où des roche du manteau terrestre sont au contact soit de l’eau de mer, soit de l’eau de pluie, soit d’ions métalliques.
       Cette voie serait un complément moins cher de la voie électrolytique.

         Il est également possible de craquer la molécule d’eau à très haute température 1000 à 3000 d°C, c-e qui est envisagé dans certaines futures centrales nucléaires VHTR (Very High Temperature Reactor) à haute température.

         Le transport et le stockage de l’hydrogène posent problèmes, vu son très faible poids, qui exige de le transporter sous haute pression dans des réservoirs métalliques très lourds.

          La liquéfaction est très coûteuse en énergie et en conservation à -253 d°C.
          On peut le transporter en bonbonnes comprimé à 250 bars, dans des camions de 40 tonnes, pour ne transporter en définitive que 300 kg d’hydrogène.
          Un gazoduc reliant l’Espagne à l’Allemagne est envisagé..
.         Il faut enfin mentionner une troisième possibilité de stockage de l’hydrogène , dans des hydrures métalliques. C’est intéressant en termes de volume, car on stocke à volume égal trois fois plus de gaz que comprimé à 700 bars. Par contre en terme de poids les hydrures étant très lourds, le bilan est défavorable.
             En outre, sur le plan du ravitaillement, remplir l’hydrure d’hydrogène est un processus lent, très exothermique, exige un refroidissement énergique du réservoir. Un remplacement du réservoir vide

         Plusieurs essais ont été faits pour absorber du gaz carbonique en le transformant en méthane grâce à l’hydrogène, (CO₂ + 4 H₂ —> CH₄ + 2H₂O), le méthane étant ensuite acheminé par le réseau de gaz naturel de GRDF. 

         Enfin l’l’hydrogène pose des problèmes importants de sécurité. Mélangé à l’oxygène de l’air il est en effet inflammable à la moindre étincelle. Comme sa faible densité le fait se diluer rapidement dans l’air, il est alors inflammable, mais dans une enceinte fermée il est alors explosif. Une telle explosion s’est produite en 2019, en Suède, ,dans une station de distri-bution, suite à un montage défectueux du tuyau de distribution du réservoir, heureusement sans faire de victime.

         Depuis 2009 l’union Européenne a émis un règlement de sécurité pour les voitures à hydrogène mais il faut actuellement mettre au point des règle de sécurité pour les camions, véhicules lourds comme les bus, le train et par la suite, les avions.

        Demain je montrerai quelques  applications énergétiques de l’hydrogène.

    Je m’occupe de la copropriété où j’habite et notamment de travaux d’entretien ou d’améliorations.          
     Nous avons sous la cour de l’immeuble un parking souterrain où se trouvent 60 boxes pour garer des voitures.
      Des résidants envisagent d’acheter des voitures électriques et le problème de leur charge se pose donc et j’ai été amené à l’étudier, car si la recharge est simple dans une villa, en copropriété c’est plus compliqué. Cela peut, peut être, vous intéresser.

L’équipement de recharge électrique dans des immeubles :

       1.) Les utilisateurs utilisent en général leur voiture dans la journée et la chargent la nuit. L’équipement d’un parking avec des bornes communes, même à recharge rapide, est inadéquat, car les utilisateurs ne se relèveront pas la nuit pour débrancher leur voiture, ni d’ailleurs pour éventuellement la brancher sur une borne libre. Par ailleurs les non-possesseurs de voiture électrique refuseront de financer un tel investissement
      2.) En copropriété il faut donc une borne par utilisateur dans son box. Il est inutile de mettre une borne à grand débit, car elle serait inutilisée la plus grande partie de la nuit, alors qu’elle et son raccordement sont très chers. Une prise qui charge en 8 heures est suffisante.
 Les prises sont câblées dans chaque box et raccordées à un tableau commun qui comporte de petits compteurs divisionnaires.
       3.) Mais un autre problème se pose : l’alimentation électrique de l’immeuble commune à toute ces prises. Supposons que l’on souhaite charger 20 voitures dans leur box (c’est à peine le tiers du parking) sous une intensité de 20 ampères, soit au total 400 A sous 250 volts. Le compteur dédié devra avoir une puissance de 100 kVA. A titre de comparaison le compteur des parties communes de la copropriété est un 30 kVA. Le raccordement et son coût posent donc problème.

La réglementation :

      1.) Depuis le 1^er janvier 2012, il est obligatoire pour les copropriétés nouvellement construites de doter leur parc de stationnement clos et couvert avec des bornes de recharge pour au moins 10% des places destinées aux véhicules automobiles. Cela ne nous concerne pas.

      2.) Pas d’obligation pour les anciennes copropriétés, si ce n’est le «droit à la prise».
      Tout utilisateur de véhicules électriques qui réside dans une copropriété peut invoquer son droit à la prise pour installer à ses propres frais une solution de recharge sur sa place de parking.
      Depuis le 1/11/2014,( décret n° 2014-1302), l'équipement de sa place de stationnement particulière en point de recharge pour véhicule rechargeable est un droit :
               -  dans les immeubles comprenant un parc de stationnement clos et couvert
               - dès lors qu'il permet un système de comptage et de facturation individuelle de la consommation d'électricité
               - pour l'installation d'une borne de recharge normale.
       S’il y a peu de demandeurs et que la puissance du compteur de la copropriété est suffisante pour les alimenter, les demandes peuvent être agrées.
      S’il y a beaucoup de demandeurs, le compteur est insuffisant et il faut alors financer une installation commune d’arrivée du courant, ce qui est en général refusé en assemblée, cette installation n’intéressant pas les non-possesseurs de voiture électrique.
      Il n’y a eu que très peu d’installations en copropriété.

       3.) Pour remédier à ce problème l'article 26 bis du Loi Climat, adoptée le 22 août 2021, comporte un nouveau mécanisme de financement des bornes en copropriété en faveur des copropriétaires qui font le choix d’installer une infrastructure collective de recharge relevant du gestionnaire de réseau Enedis, la filiale d’EDF qui gère en monopole la distribution d’électricité en France. Cette solution offre un avantage certain au réseau public dans la mesure où les copropriétés n’auront pas à avancer les frais d’installation de l’équipement, ces derniers étant remboursés au fur-et-à-mesure par les contributions des utilisateurs des bornes de recharge. En effet, la loi prévoit que le coût de raccordement et d’installation de l’équipement collectif sera complètement pris en charge par le tarif d’utilisation des réseaux publics d’électricité (TURPE) chargé de financer l’acheminement de l’électricité par un prélèvement sur la facture de chaque français.

Quid d’Enédis et d’autres fournisseurs ?

      Il semblerait qu’Enédis souhaiterait installer dans chaque box un compteur Linky, alimenté à partir de notre transformateur ainsi que la prise choisie par le résidant, qui serait traité pour son box, comme pour son appartement.
 C’est effectivement une solution idéale, mais, vu la lenteur habituelle d’Enédis et son goût pour les complications, la solution risque de ne pas aboutir avant 2024. 

      Des sociétés spécialisées se chargent également des installations d’arrivée du courant jusqu’à un compteur de puissance appropriée, et un tableau comportant des compteurs divisionnaires, puis des câbles supportant 32 ampères jusqu’aux box , où est installée au choix du client une prise 8, 16 ou 32 ampères, (appelée borne de charge), permettant donc des puissances de charge de 2,2  3,7 ou 7,4 kW et  une recharge de 100km en environ 12 heures, 8 heures et 4 heures. Le bornes 8A, 2,2 kW ne sont pratiquement pas utilisées. 
 Elles se rémunèrent ensuite en faisant payer aux résidants utilisateurs :
           - un forfait d’installation suivant le type de la borne de charge.
           - un abonnement mensuel qui dépend aussi de la puissance de la borne installée. - un prix des kWh consommés, en général dégressif et plus cher de jour que de nuit.
      Le service rendu est donc transparent pour la copropriété, qui n’intervient que pour fournir des renseignements lors des installations, et le rapport entre la société et le client ressemble à celui des opérateurs internet.
      La société de charge est propriétaire de l’infrastructure qu’il entretient et peut démonter si on change d’opérateur, le client résidant est propriétaire de sa borne, qu’il peut emmener s’il déménage.
      L’accès à la borne exige l’utilisation d’un badge de sécurité..

       Je vais vous exposer les offres de deux sociétés que j’appellerai A et B, pour lesquelles le processus de mise en place des installations est le même, mais par contre, les processus de facturation sont très différents.
       La facturation de la mise en place d’une borne dans le box est la même pour les deux sociétés, une fois déduites les aides de l’Etat : 490 € pour une borne 3,7 kW 16 A et 590 € pour une borne 7,4;kW 32 A 

       La société A fait ensuite payer un abonnement qui correspond à un forfait kilométrique, selon le tableau ci dessous. Il n’y a pas de relevé de kWh, ce qui fait des économies importantes pour la société.
       Ce forfait est calculé sur la base d’une consommation de 14kWh pour 100km
        On a donc droit, pour le forfait 3.500km à un total de 490kWh, pour un forfait 7000km à un forfait 980kWh ….
      En fait selon l’utilisation (ville, route, accessoires) et le type de voiture, on consomme entre 12 et 20 kWh pour 100 km et la moyenne est plutôt vers 15 ou 16.  Il faut donc s’attendre à faire 10% de km en moins que prévu.
      Le coût en heures pleines et heures creuses est le même.

      La société B installe des compteurs divisionnaires. L’abonnement est beaucoup moins cher puisqu’on fait ensuite payer la consommation réelle.
      Le  tableau ci-après donne le coût des abonnements et du kWh facturé chaque mois.
      Le coût du kWh heures pleines est environ le double de celui aux heures creuses.

      Il est difficile de comparer les deux solutions.
      On a essayé de le faire pour une voiture consommant 15 kWh pour 100 km chargée sur une borne 32 A (7,4 kWh), aux heures creuses,  cela sur une durée de 2 ans. Le coût semble moins important pour la société Bornes solutions, mais ce n’est qu’un cas particulier
      Le coût de l’installation des prises n’intervient pas, puisqu’il est presque le même pour les deux sociétés.

     Pour le fonctionnement, si l’on fait un kilométrage voisin du maximum des tranches fixées par la société A, les coûts sont voisins, mais si l’on fait nettement moins de km, on est facturé du maximum, alors que la société B facture uniquement les km donnant lieu à consommation.
     Les cas analogues à celui du tableau ci-dessus sont donc fréquents.
     La société B est donc plus intéressante pour les utilisateurs.

          Je vous ai expliqué hier quels étaient les principes de l'impression 3D. Aujourd'hui, je vais vous donner des exemples de machines. Mais avant cela, un peu d'historique.

          En 1972, dans Tintin et le lac aux requins, le professeur Tournesol invente une photocopieuse tridimensionnelle , que le méchant Rastatopoulos veut utiliser pour fabriquer des faux en dupliquant des œuvres d'art volées dans de grands musées.! 
           Il y avait effectivement des études en cours aux USA, mais les premiers essais véritablement prometteurs sont réalisés au japon en 1980 par Hideo Kodama, et le premier brevet concernant la « fabrication additive » est déposé, par trois Français pour le compte de la Compagnie industrielle des lasers (Cilas Alcatel), le 16/7/1984.
         Les premières imprimantes 3D apparaissent au début des années 2000 et utilisent des résines, peu adaptées à cet usage et elles ne produisent que des prototypes. Ce sont plutôt des machines d'étude.
          Depuis 2010, la précision de l'impression et les types de matériaux utilises augmentent      considérablement. On utilise des matières plastiques, des métaux, du sable, fondus, et même du béton.
           A coté de petites machines utilisant des plastiques qui servent à des laboratoires ou dans l'enseignement, voire à des particuliers, apparaissent des machines industrielles, utilisant notamment des métaux, dans l'industrie automobile et aéronautique.
           Des petites machines sont aussi utilisées par les prothésistes dentaires et la bijouterie.
           D'énormes machines sont utilisées par l'industrie du bâtiment, notamment pour la construction de maisons individuelles.
           L'industrie pharmaceutique a "imprimé" des pilules de médicaments et la recherche médicale fait réaliser des prothèses sur mesure et essaie de déposer des cellules humaines, notamment des cellules-souches.

           Je vais vous décrire rapidement trois imprimantes 3D.

Une imprimante domestique.

             Le constructeur chinois Flashforge s’est spécialisée dans les imprimantes 3D, entrée de gamme, pour un usage domestique. Cela n’empêche pas la stabilité et la précision des travaux rendus avec une moyenne de 0,2 mm.  
             La structure de la machine Voxelab Aquila est métallique (voir photo ci-contre) et elle peut être pilotée par un PC ou un Mac. Le volume d'impression est de 220 x 220 x 250 mm.
Un plateau support très rigide se déformera peu et des guides à rousseau assurent son déplacement horizontal perpendiculaire à un portique assure les déplacements latéraux et vertical. Une bobine fournit des fils de plastique, dont la fusion permettra la construction de la pièce.
              La machine est livrée dans un kit de montage et coûte chez Amazon, entre 170 et 200 €

Une petite imprimante professionnelle :

         L'imprimante 3D Dremel permet d'utiliser toutes sortes de filaments plastiques, et est destinée à des équipes d'étude pour la création d’objets et de prototypes.
         La zone d’impression est fermée avec système de filtration et de refroidissement optimisé pour éviter les dépôts de poussière et les dégagements de fumées.
         L'impressions 3D est de haute qualité avec une résolution jusqu’à 50 microns sur un plateau chauffant pour éviter les déformations. elle est gérée à distance par connection Wi-fi à un ordinateur et une caméra HD intégrée. La dimension max des objets est de 40 x 50 cm et 40 de haut.
          Elle coûte environ 600 €

Une machine industrielle "pièces plastiques"

         L'imprimante 3D "Startasys F900" est destinée à réaliser des pièces en plastique de grandes dimensions (914 x 609 x 914 mm), notamment pour l'aménagement interne des trains et avions commerciaux. Elle peut utiliser toutes sortes de matériaux plastiques,allant des thermoplastiques de qualité technique aux polymères à hautes performances.
          Les hauteurs de couches varient de 0,1 à 0,5 mm.
             L'impression se fait à partir des dessins de conception des pièces en CAO (conception assistée par ordinateur), qui génèrent les données numériques
         La précision obtenue est de l'ordre du 1/10ème de mm.
       Des caméras internes permettent de gérer la fabrication.
          Le prix varie avec les configurations de la machine. Il est de l'ordre de 400 000 € HT.

Une machine industrielle "pièces métalliques"

         La plupart des imprimantes 3D pour pièces métalliques utilisent un laserpuissant pour échauffer localement la poudre et ainsi faire fusionner ses particules, couche après couche.
          Les imprimantes à frittage par laser sont de grande taille et coûtent plusieurs centaines de milliers d’euros quand leur automatisme permet une production de série, par exemple de boitiers, de coques, de pièces de mécanismes, et notamment des pièces du domaine aéronautique ou spatial, précises et de très haute résistance..…
         On peut ainsi "imprimer" acier, titane, cobalt, chrome, acier inoxydable, mais aussi or, argent, bronze ou platine...Les machines ne sont évidemment pas polyvalentes, mais adaptées à un type particulier de poudre.

         L'imprimante "MétalX" est originale car exploitant un autre procédé (photo ci-dessous)

            L'imprimante 3D Metal X vient déposer couche par couche du filament composé de poudre de métal et de liant (cire + polymère). Un pièce dite" verte" est ainsi fabriquée. Elle est ensuite traitée dans une machine de déliantage pendant plusieurs heures, qui , grâce à des solvants spéciaux, retire la cire de la pièce (qui perd 4% de son poids).
            La pièce est alors mise dans un four de frittage, qui suit une courbe de chauffe précise en fonction de la pièce à fabriquer (plusieurs heures voire 24h).  Pendant la cuisson, les particules de métal fusionnent entre elles et il se produit un retrait de 20% de la taille de la pièce, lequel avait été compensé en amont lors de l’impression. Le délai total de fabri-cation est de l'ordre de 3 jours.
            Des métaux très divers peuvent être utilisés : acier, acier inoxydable, acier à outils, titane, cuivre. Ci contre une pièce fabriquée (une matrice d'extrusion)
            La Metal X possède un volume d’impression de 300 x 220 x 180 mm avec une précision de 50 microns. Le budget global de l'installation est de l'ordre de 200 000 €

 Des imprimantes 3D dans l'industrie du bâtiment.

        Leurs dimensions sont impressionnantes, mais le principe reste le même. La plupart déposent des cordons de béton les uns sur les autres. Cela permet des formes très diverses et l'inclusion de renfort, dans le béton, tel la fibre de chanvre qui est un bon isolant thermique. photo ci-dessous).
        L'impression 3D permet des gains importants de temps de construction permet une emprunte carbone plus faible.