L’azote liquide présente plusieurs avantages comme carburant pour les véhicules. Peut-il rivaliser avec la puissance de l’hydrogène ?
Bien que les véhicules électriques soient une alternative viable aux voitures à essence, des chercheurs expérimentent d’autres carburants sans carbone pour aider l’environnement.
Comment l’azote liquide est-il fabriqué ? Vidéo gracieusement offerte par Ferus, Inc.
Les véhicules à pile à hydrogène ont fait leur apparition, mais les moteurs alimentés par azote liquide pourraient être un sérieux concurrent pour les voitures soucieuses de l’environnement. L’azote liquide a émergé comme un candidat. Comment les deux carburants se comparent-ils ?
Azote liquide utilisé pour la recherche sur les fusées. Image gracieusement offerte par NASA
Avantages des moteurs à azote liquide
Les moteurs à azote liquide ont un impact environnemental minimal. Le transport est connu pour ses émissions élevées, mais les véhicules alimentés à l’azote liquide peuvent réduire les dégâts des gaz à effet de serre. La seule émission produite par ces moteurs est de l’air froid, ce qui en fait une alternative plus sûre aux concepts de combustion interne (IC).
Les moteurs à azote liquide permettent également un ravitaillement plus rapide. Les véhicules électriques obligent les conducteurs à attendre que leurs voitures se rechargent, tandis que les automobiles alimentées à l’azote peuvent se ravitailler comme une voiture conventionnelle à IC. Cette efficacité est cruciale pour maintenir les véhicules à carburant alternatif sur la route, en particulier pour les camions longue distance. Les moteurs à azote liquide résistent également au feu, à la rouille et aux toxines, les rendant plus sûrs pour les humains.
L’azote liquide n’est pas aussi commun que l’essence, le diesel, ou les sources de carburant à hydrogène, mais des recherches ont démontré son potentiel pour alimenter des moteurs. L’Université George Washington l’a utilisé pour des unités de réfrigération et des générateurs. L’élément de refroidissement rend l’azote liquide utile pour le stockage des aliments, des médicaments et d’autres fournitures critiques. Les chercheurs universitaires ont également testé l’azote liquide avec un moteur hybride et ont constaté une efficacité accrue.
Fonctionnement des moteurs à azote liquide. Image gracieusement offerte par Rizvi et al.
Quelle est l’efficacité de ces moteurs ? Une étude de 2021 publiée dans ACS Omega a examiné les moteurs à azote liquide par analyse numérique. Les chercheurs se sont concentrés sur la pression dans le cylindre, la température et les conditions nécessaires à l’évaporation de l’azote liquide. Les résultats ont montré que cette source de carburant alternative était environ quatre fois plus efficace que les carburants fossiles, avec une efficacité de 31 %.
Élever l’azote liquide au-dessus du carburant à hydrogène
Le principal concurrent de l’azote liquide parmi les sources d’énergie alternatives est l’hydrogène. Lequel des deux est le mieux pour les voitures ? L’azote liquide présente des avantages par rapport à l’hydrogène.
Haute disponibilité
Un avantage majeur de l’azote par rapport à l’hydrogène est sa disponibilité. L’azote est le principal composant de l’atmosphère terrestre. Les scientifiques peuvent le capturer à travers des unités de séparation de l’air, telles que la distillation cryogénique. Ces technologies sont cruciales pour gérer l’azote liquide en raison de ses basses températures. Exploiter les énergies renouvelables pour capturer l’azote assure des sources de carburant alternatif plus propres.
En revanche, l’hydrogène est moins présent dans l’atmosphère terrestre et moins disponible que l’azote. Les chercheurs doivent le produire par électrolyse ou reformage du méthane à la vapeur. La première est un processus énergivore, en faisant une responsabilité environnementale. Bien que des méthodes plus propres – comme les procédés photolytiques – soient devenues plus courantes, l’extraction de l’hydrogène reste généralement plus complexe que celle de l’azote.
Processus de distillation cryogénique. Image gracieusement offerte par Wikimedia Commons
Réactions réduites
L’azote liquide est moins réactif que l’hydrogène. L’azote, le septième élément du tableau périodique, est inerte en raison de ses puissantes liaisons covalentes. Comme de l’énergie est nécessaire pour briser ces liaisons, l’azote ne réagit pas rapidement avec d’autres éléments. Cette caractéristique est critique pour la version liquide car les températures froides rendent l’azote inerte. En tant que liquide cryogénique, il est stable dans des conditions standards.
Cependant, l’hydrogène pose un problème car il est hautement réactif. Il se lie facilement à d’autres éléments pour produire des hydrures et constitue une responsabilité pour les producteurs de carburant. Bien que la réactivité soit bénéfique pour la production, elle peut être un défi pour le stockage car elle peut rendre les conteneurs plus friables et sujets à des défaillances. La production peut également être complexe car des conditions particulières sont nécessaires pour capturer l’hydrogène.
Prévention des dangers
L’azote liquide présente également des avantages en matière de sécurité par rapport au carburant à hydrogène car il est plus facile à manipuler pour les humains et à utiliser dans les voitures. Son état inerte ne produit pas de flammes. En revanche, les véhicules à combustion interne, électriques et à hydrogène peuvent prendre feu. L’azote offre une option de carburant plus sûre.
Le carburant à hydrogène présente des dangers dès le départ en raison de son potentiel de fuite. Le premier élément a de minuscules molécules qui peuvent fuir et provoquer des incendies si les précautions appropriées ne sont pas prises. L’hydrogène n’a ni odeur ni couleur, ce qui rend difficile la détection d’une fuite avec les sens humains, constituant ainsi une responsabilité. Ces dangers rendent le transport de l’hydrogène plus risqué, nécessitant un équipement spécial pour prévenir les fuites et protéger les véhicules.
Avantages du carburant à hydrogène
Bien que l’azote liquide ait certains avantages, il peut avoir du mal à devenir une source d’énergie majeure. Le carburant à hydrogène peut être meilleur que l’azote liquide pour les voitures.
Densité énergétique plus élevée
Le principal inconvénient de l’azote est sa faible densité énergétique. Il a peu d’énergie dans ses liaisons car il est constamment dans un état énergétique froid. L’azote liquide est un processus de changement de phase qui élimine l’énergie lors de sa conversion en gaz. Beaucoup plus d’azote liquide est nécessaire pour correspondre à la puissance du carburant à hydrogène.
En comparaison, le carburant à hydrogène a une densité énergétique supérieure et est plus adapté aux véhicules. Cet élément a la densité énergétique gravimétrique la plus élevée du tableau périodique, ce qui rend son carburant suffisamment puissant pour être utilisé dans les véhicules à moteur. L’hydrogène est également l’élément le plus léger, donc chaque once de son carburant améliore l’efficacité énergétique. Cette caractéristique contraste fortement avec l’hydrogène gazeux, qui a une faible densité énergétique.
Pression élevée dans les cylindres
Bien que les recherches sur l’azote liquide en tant que source de carburant soient limitées, certaines études le comparent directement à la puissance et à l’efficacité de l’hydrogène. Une étude de 2021 dans la revue Fuel a examiné les performances des moteurs à azote et à hydrogène ainsi que leurs émissions. Les chercheurs ont constaté que la pression dans le cylindre était la plus élevée après l’ajout d’hydrogène à l’allumage par compression contrôlée par réactivité. En revanche, l’additif azoté a augmenté la température et les émissions.
Le carburant à hydrogène est meilleur pour les moteurs car il se combustionne rapidement et augmente efficacement la pression du cylindre. L’étude du journal Fuel a montré que cet élément améliore la combustion et les émissions, surpassant ainsi le diesel et d’autres combustibles fossiles. L’azote est moins propice à ce processus car ses capacités de combustion ne sont pas aussi fortes que celles de l’hydrogène. De plus, la production de suie a atteint des niveaux maximaux une fois l’addition de 72 % d’azote entrée dans le carburant.
Plus d’infrastructures
Le carburant à hydrogène est meilleur dans l’industrie automobile moderne car plus de recherches et d’infrastructures entourent cette source d’énergie. Certains états américains et pays ont mis en place des stations de carburant à hydrogène pour soutenir les voitures fonctionnant avec cette option. Toyota, Honda et Hyundai ont produit et démontré un marché pour les voitures à hydrogène.
