Co-auteur : Fábio Coutinho Antunes, étudiant postdoctoral à la Faculté de génie électrique et informatique de l'Unicamp

Les véhicules à combustion alimentés à l'éthanol, électrifiés ou hybrides émettent moins de dioxyde de carbone pendant leur durée de vie du berceau à la tombe par rapport aux véhicules rechargeables purement électriques. Par conséquent, ces options de véhicules devraient être préférées par le consommateur et précéder les véhicules électriques car ils émettent moins de gaz à effet de serre. Après tout, la transition énergétique que nous vivons consiste à réduire les émissions de gaz à effet de serre, un phénomène du réchauffement climatique, potentialisé par les activités humaines.

Ces gaz s'accumulent entre la stratosphère et la troposphère à 12 kilomètres d'altitude, juste en dessous de la couche d'ozone, et empêchent le rayonnement infrarouge de la Terre d'être libéré dans l'espace, empêchant la Terre de se refroidir naturellement et progressivement. Depuis la révolution industrielle (de 1760 à 1820), nous avons commencé à émettre une plus grande quantité de gaz à effet de serre, un fait reconnu par la communauté scientifique. Le réchauffement climatique est un problème majeur, avec des reflets des activités humaines sur le climat, avec des inondations, des sécheresses prolongées, des canicules en période plus froide et inversement, et la fonte des calottes glaciaires aux pôles, favorisant une augmentation du niveau des océans.

Aujourd'hui, nous avons une conscience sociale, une capacité technique, une volonté politique et, surtout, des solutions qui généreraient de la richesse et des emplois pour la société. D'un point de vue technologique, il existe un ensemble de technologies qui peuvent nous aider, de manière plus intelligente, dans cette transformation. En d'autres termes, il est important de mener à bien la transition énergétique, en utilisant le meilleur de chaque lieu.

La transition énergétique sera propre à chaque région du monde. Au Brésil, nous avons l'éthanol, un biocarburant à faible émission de carbone. Le véhicule à l'éthanol émet du monoxyde de carbone et des hydrocarbures lors de son démarrage à froid. Les véhicules hybrides, à deux moteurs, apportaient l'avantage de réduire les émissions de carbone, en plus d'une plus grande autonomie. Mais ça peut aller mieux.

L'une des solutions consiste à utiliser un système de groupe motopropulseur hybride de complexité et de coût réduits pour la production d'énergie électrique embarquée dans le secteur de la mobilité. Ce système est composé d'un reformeur d'éthanol en gaz de synthèse (Hydrogène Moléculaire et Monoxyde de Carbone). Ce gaz est converti directement en énergie électrique par un empilement de piles à combustible à oxyde solide. L'énergie électrique générée alimente un moteur électrique à haut rendement (rendement de 95%), tout en chargeant électriquement un module beaucoup plus petit de batteries lithium-ion. L'ensemble de ce système peut atteindre jusqu'à 70 % d'efficacité. Beaucoup plus élevé que les 35% d'efficacité maximale d'un véhicule à combustion interne.

Cette solution tire parti du réseau de valeur créé il y a des années par la production d'éthanol , la logistique et la distribution dans les stations-service. Et surtout, remplissage avec un mélange de 55% en volume d'éthanol et 45% en volume d'eau en 5 minutes. L'eau est importante pour le reformage efficace de l'éthanol, produisant beaucoup plus d'hydrogène moléculaire. De plus, le coût du carburant pour le consommateur devrait baisser de moitié par rapport à sa valeur actuelle, et l'autonomie doit être compatible avec les véhicules actuels. En dehors de cela, les émissions de carbone seront beaucoup plus réduites.

Nous n'avons pas encore totalement maîtrisé la technologie des piles à combustible à oxyde solide au point de la commercialiser. Il est déjà utilisé pour générer de l'énergie stationnaire avec du gaz naturel et de l'hydrogène moléculaire pur, mais il doit être adapté pour le gaz de synthèse de l'éthanol reformé et appliqué en mobilité. Le poids de la pile de ces piles à combustible doit être réduit et l'efficacité améliorée, ce qui devrait se produire dans les 5 prochaines années.

Le véhicule rechargeable, en revanche, est prêt et porte la promesse de zéro émission en n'émettant pas de gaz à effet de serre. Mais cette histoire n'est pas si réaliste. Dans leur cycle de vie, ils doivent parcourir environ 100 000 kilomètres pour égaler les émissions de dioxyde de carbone d'un véhicule à combustion fonctionnant à l'éthanol, soit pratiquement toute sa durée de vie utile. De plus, le coût, le remplacement des modules de batterie et la maintenance sont assez élevés.

De nombreux rapports font état de batteries endommagées en raison d'imperfections de la route, de problèmes dans le système de charge, de la nécessité d'investir dans des infrastructures pour le réseau de distribution et de ravitaillement. Le coût de la production d'électricité propre et renouvelable, de la distribution (réseaux) et des bornes de recharge pour les véhicules rechargeables au Brésil est estimé à 300 milliards de dollars.

Cet investissement dans les infrastructures pourrait largement profiter à la chaîne de production, de transport et de distribution d'énergie, et la facture ne devrait pas être mise uniquement sur le véhicule électrique. Cela n'a pas non plus de sens d'avoir un véhicule qui se branche et se recharge grâce à l'énergie électrique générée par des centrales thermoélectriques.



Le sujet est complexe et demande réflexion pour une meilleure clarification. Ce qui suit est une brève discussion des principales caractéristiques de ce système de groupe motopropulseur hybride à l'éthanol, présenté ci-dessous. Ce qui suit est une ventilation du reformeur, de la pile à combustible à oxyde solide, des supercondensateurs, des batteries et du moteur électrique.

Reformeurs:
Le reformeur d'éthanol est similaire aux catalyseurs d'un véhicule à combustion. Le reformeur est composé d'un support céramique monolithique obtenu par extrusion ou métallique, avec de fins canaux de type unidirectionnel ou nid d'abeille. Les canaux sont recouverts d'une deuxième couche de liaison céramique composée de matériaux à haute capacité de stockage et de libération d'oxygène.

Sur cette couche, plusieurs nanoparticules de métal actif catalyseur supportées sur (voire à l'intérieur) des nanoparticules céramiques poreuses obtenues par imprégnation, infiltration solvothermique ou coprécipitation de solutions de sels précurseurs. Après un processus de séchage et de calcination, les phases actives des catalyseurs à dispersion et surface élevées sont obtenues. Ces catalyseurs sont responsables de la conversion de l'éthanol en gaz de synthèse avec une haute sélectivité de l'hydrogène moléculaire à une température d'environ 650 degrés centigrades.

Les matériaux de pointe utilisés dans les reformeurs d'éthanol sont:
1) des supports monolithiques en céramique de cordiérite, à faible coefficient de dilatation thermique (5 fois 10 moins 6 mètres par degré Celsius) et à haute résistance aux chocs thermiques ou supports métalliques en acier inoxydable ferritique ou austénitique à haute conductivité thermique et résistance aux chocs thermiques;
2) une couche céramique d'adhérence en Oxyde de Cérium, Oxyde de Cérium et Oxyde de Zircone à haute capacité de stockage et de relargage d'oxygène, ou encore Oxyde d'Aluminium ou Oxyde de Zircone, dopé en Oxyde de Magnésium pour améliorer la capacité de stockage et de relargage d'oxygène; et
3) des nanoparticules de métaux catalyseurs tels que le Nickel, le Nickel Cobalt, le Nickel Molybdène, le Nickel Niobium, le Nickel Cuivre, supportées sur des nanoparticules céramiques des mêmes matériaux que la couche d'adhérence céramique. Le gaz de synthèse reformé à partir d'éthanol riche en hydrogène moléculaire est dirigé vers la pile à combustible à oxyde solide pour être converti par l'anode de la cellule directement en énergie électrique, chaleur, eau et dioxyde de carbone.

Piles à combustible à oxyde solide:
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique à l'état solide qui convertit l'énergie des liaisons chimiques dans un combustible en énergie électrique, similaire aux batteries en ce que les réactions électrochimiques aux électrodes génèrent de l'électricité. Dans les piles à combustible à oxyde solide, l'oxygène moléculaire présent dans l'air est réduit à la cathode par les électrons, formant des anions oxygène. Ces anions oxygène traversent l'électrolyte vers l'anode pour oxyder l'hydrogène moléculaire en libérant des électrons vers le circuit externe, puis ces électrons vers la cathode pour réduire l'oxygène de l'air en anions oxygène. Cette réaction électrochimique produit non seulement des électrons, mais aussi de la chaleur et de l'eau.

On ne peut pas utiliser l'hydrogène moléculaire direct car c'est un gaz qui doit être cryoliquéfié et stocké dans des réservoirs à coût élevé, avec des risques d'explosion en cas de collision. L'hydrogène, quant à lui, est un élément présent dans les molécules d'hydrocarbures et les biocarburants, comme l'éthanol. L'éthanol a 6 atomes d'hydrogène qui peuvent former 3 molécules d'hydrogène moléculaire (éthanol). Autrement dit, les biocarburants stockent l'hydrogène sous forme liquide. L'éthanol stocke 18,4 mégajoules par litre, tandis que l'hydrogène moléculaire stocke seulement 0,01 mégajoules par litre d'énergie dans des conditions normales de température et de pression.

La figure présentée présente un schéma de la pile à combustible à oxyde solide avec les composants, les matériaux de pointe et les coefficients de dilatation thermique respectifs. En plus de la pile à combustible à oxyde solide , nous pouvons voir leur empilement sur la figure. Le système produit de l'électricité pour alimenter le moteur et les batteries. En cas de pic de demande de puissance, comme un dépassement, le module de batterie ou un banc de supercondensateurs peut rapidement alimenter le moteur électrique.

Le siège est utilisé pour réabsorber rapidement l'énergie de régénération du moteur électrique lors de la décélération ou du freinage du véhicule. Dans cette configuration, le module de batterie lithium-ion supprime la fluctuation de puissance inhérente à l' empilement de piles à combustible à oxyde solide. La figure montre:
A: agrandissement de la conception assistée par ordinateur d'une section transversale d'une pile unitaire Pile à combustible à oxyde solide à support métallique et ses composants,
B: conception assistée par ordinateur d'une pile unitaire pile à combustible à oxyde solide à support métallique et ses interconnexions,
C: Conception assistée par ordinateur d'un empilement de support métallique pour pile à combustible à oxyde solide,
D: Composants de support métallique pour pile à combustible à oxyde solide,
E: Matériaux utilisés dans les composants de support métallique piles à combustible à oxyde solide,
F: Coefficients de dilatation thermique des matériaux composants utilisés dans le métal soutenir les piles à combustible à oxyde solide.

Les moteurs électriques asynchrones et magnétiques à courant alternatif présentent un couple élevé, une efficacité dans la conversion de l'énergie électrique en cinétique et un excellent contrôle de la rotation. Les moteurs de véhicules rechargeables Tesla et Honda ont des rendements allant jusqu'à 92% et 97%, respectivement.

Ce système de groupe motopropulseur hybride présente les avantages suivants:
1) petit réservoir à remplir d'éthanol hydraté;
2) l'autonomie dépend du reformeur externe, de la quantité de combustible et des rendements du reformeur et de la pile à combustible à oxyde solide et non du module de batterie;
3) le module de batterie peut être réduit jusqu'à un cinquième en volume, ce qui réduit le poids et le coût, et
4) la quantité de substances toxiques et inflammables présentes dans les électrodes et les électrolytes des batteries lithium-ion sera plus petite, permettant également la réduction par la demande de Nickel, Lithium, Cobalt, Aluminium, Cuivre, Silicium, Zinc, Manganèse et carbone, souvent soumis à des fluctuations de prix et à des crises. La solution brésilienne peut bénéficier à 2 milliards de personnes sur la planète pour cette génération et les générations futures.