Le forum des pilotes privés

quel est le rendement d'une pie à combustible ? Un moteur électrique brushless tourne aux alentours de 90 %. A comparer aux 30 % voire peu être moins (sûrement pour les lycosaures) des moteurs essence. On y gange déjà de ce côté là.

Mettons 90 % pour la pile, ça nous fait 81 % de rendement global. Avec l'hypothèse d'un lycoming à 25 %, on n'a besoin d'emporter 3 fois moins d'énergie dans les réservoirs. Ca nous fait quand même un facteur de 10 restant.

Manu

En fouillant un peu à droite à gauche...
http://www.afh2.org/f/index.php
http://www.ac3f.org/pages/flotte.php
http://fr.wikipedia.org/wiki/Carburant
http://www.aaafasso.fr/DOSSIERSAAAF/DOS ... sure_1.pdf

Si je prends un DR400 de 160ch qui a une consomation de 33L/h en croisière et que à la vitesse de croisière il est à 75% de sa puissance nominale, ça donne : 160*0.75=120cv. Comme 1 cheval = 0,736kW on obtient 120*0,736=88,32kW pour 33L/h soit 2,68kW.h pour 1 Litre. Le moteur fournit donc : 9,65MJ pour 1 Litre de 100LL. Le PCI de la 100LL est de 44MJ/Kg soit avec une densité de 0,7 : 30,8MJ pour 1 Litre. Le rendement moteur serait donc de : 9,65/30,8 * 100 = 31%.
31% pour un moteur essence, ça parait vraiment exellent, mais pourquoi pas...

Le rendement d'un moteur électrique de qualité, c'est de l'ordre de 90%. Par contre, une pile à combustible de type PEM (celle qui a le meilleur rapport poids/puissance) a au mieux un rendement de 70%. Ce qui fait pour la pile et son moteur 0,9*0,7= 0,63 soit 63%.
Le gain énergétique entre le rendement moteur et la pile serait donc d'un facteur 2.

Regardons maintenant ce qui ce passe pour le carburant.
Le PCI de la 100LL est de 44MJ/kg ou de 30,8MJ/L.
Comme H² pressurisé à 700 bars stocke en gros 30 fois moins d'énergie par Kg (réservoir compris) que la 100LL, ça fait en gros 1,45MJ/kg. Dans la réalité, c'est le poids du réservoir qui pose problèmes.
Avec ses infos 44/1,45/2, ça fait un facteur 15 à gagner (c'est encore plus mauvais que le 10 de Manu...).

Comment y arriver ? deux solutions :
utiliser l'H² sous forme liquide

PCI de H² liquide = 126MJ/kg ou 9MJ/L.
Le réservoir est un Deward avec une température de -253°C. C'est froid.... Mais alors, pour la même énergie, 3 Litres d'H² = 1 Litre de 100LL.
Compte tenu du fait que le rendement pile est meilleur d'un facteur 2, il n'y a plus besoin d'embarquer que 1,5L de H² pour 1L de 100LL.

Si on prends un réservoir de 160litres (DR400), ça fait un poids de 112kg de 100LL.
L'H² liquide a une densité de 0,07 on a donc : 1,5*160=240Litres = 16,8kg de H².

La comparaison n'est pas terminée car il manque le poids du réservoir pour stocker l'hydrogène liquide, et je crois pouvoir dire sans me tromper que à volume égal, c'est plus lourd qu'un réservoir de 100LL. Mais la différence entre 16,8 et 112 laisse une marge de 95,2kg pour réaliser un réservoir d'H² liquide de 240 litres. Pourquoi pas !
Je ne sais pas si l'expérience Boing utilisait de l'hydrogène stokée sous forme gazeuse ou liquide mais il semblerais qu'il y ait un gros avantage pour H² sous forme liquide lors du vol. Maintenant, il est évident que ça pose d'autres problèmes, c'est un peu comme une fusée, on refroidis et on remplis juste avant de décoler... Pas simple tout ça...

Améliorer l'aérodynamique.

Nous savons tous que la finesse est égale à la portance sur la trainée, soit : Finesse=Portance/Trainée. Nous savons aussi que à vitesse stabilisée, portance = poids avion et que trainée = puissance moteur. Si nous voulons diminuer la puissance moteur et continuer à voler de la même façon, il faut soit diminuer "poids avion" soit augmenter "Finesse"...

Caractéristiques actuellement réalisées :
*Un airbus A320 qui est par définition un avion de voyage a une finesse de l'ordre de 20.
*Nous avons aussi des exemples d'appareils qui peuvent emporter leur propre poids.

Reprenons notre DR400 160cv...
poids à vide 610kg, poids maxi 1000kg. Soit une charge utile de 390kg.
Finesse max = 10.

Si nous appliquons les deux "précédentes caractéristiques" la finesse passe de 10 à 20, nous avons un gain de 2. Le poids à vide devient 390kG (il y a de l'effort à faire) et le poids maxi passe à 780kg, soit un gain de 1,28.
Notre DR400 amélioré a donc besoin de 2*1,28 = 2,58 fois moins de puissance pour réaliser le même vol.

Conclusion : on a des progrès à faire et on peut déja commencer à les faires sans attendre des piles à hydrogène !!!

PS : Il pourrait voler avec un rotax notre brave DR400 amélioré .

très intéressant!! Merci. Pourrais tu poursuivre en intégrant l'énergie nécessaire à la préparation des deux carburants, en particulier, pour refroidir l'H2....

J.

jiji66 a écrit:Conclusion : on a des progrès à faire et on peut déja commencer à les faire.

C'est clair. Avec les moyens de calcul dont on dispose maintenant, on sait faire.

Manu

Il ne faut pas désespérer en considérant les progrès à accomplir. La naissance de l'aviation a été contrariée par l'absence de moteur convenable : à l'époque, le poids d'un moteur capable de faire décoller un avion était nettement supérieur au poids que ce même avion était capable de faire voler. C'est la raison pour laquelle Ader a choisi la vapeur, utilisant au passage une technique nouvelle pour la chaudière, utilisée ultérieurement dans d'autres domaines.

On en est à un stade similaire pour la production d'énergie avec les piles à combustible. L'histoire des techniques montre que tous les raisonnements prospectifs basés sur l'extrapolation de la situation à l'instant " T " ont été battues en brèche par des avancées ultérieures que les modèles utilisés ne prenaient pas en compte. C'est pour cela que je suis assez confiant dans les possibilités à venir, même si ce n'est pas pratiquement réalisable aujourd'hui.

Vers le milieu du XIXè siècle, une étude prospective, basée sur l'accroissement de la population et des besoins de transports urbains (assurés par des fiacres et fardiers tirés par des chevaux) avait conclu à l'enfouissement des rues de Paris sous plusieurs mètres de crottin à l'horizon 1950. Puis l'automobile est apparue .............

Crottin vs CO², les conséquences sont pas les mêmes. Et l'avantage de la première solution aurait été de disposer d'un engrais naturel en quantités, ca aurait évité bien des pollutions aux produits chimiques.

C'est vrai qu'à l'époque, les rejets des chevaux étaient considérés comme une pollution. Maintenant, ce serait une gène.

Manu

Manu a écrit:.............. C'est vrai qu'à l'époque, les rejets des chevaux étaient considérés comme une pollution. Maintenant, ce serait une gène.

Tu oublies le méthane, autre gaz à effet de serre, abondamment rejeté par les herbivores.
Qu'importe, l'exemple était simplement là pour illustrer les limites de la prospective basée sur des extrapolations linéaires négligeant les progrès à venir.

Pas faux. Et apaprement plus nocif wue le CO². Mais d'un autre côté, 6 milliards d'êtres humains, ça doit bien valoir son pesant de cacahuètes aussi.

Manu

Jacques HM Cohen a écrit:très intéressant!! Merci. Pourrais tu poursuivre en intégrant l'énergie nécessaire à la préparation des deux carburants, en particulier, pour refroidir l'H2....
J.

En premier, il ne faut pas oublier que bien que l'hydrogène soit l'élément le plus abondant de l'univers, il n'existe qu'à l'état de trace dans l'athmosphère terrestre. En effet, sa grande vitesse de diffusion et sa faible masse moléculaire font que la force gravitationelle de la Terre n'est pas suffisante pour le retenir. C'est un grand voyageur, il part tout seul dans l'espace  .
Sur Terre, Il est toujours associé à quelque chose, de l'eau H2O, du méthane CH4 et tout autre hydrocarbure tel que la 100LL qui contient un certain nombre de chaines CH. Il est interessant de remarquer que l'orsqu'un moteur thermique consomme du gaz ou de l'essence, il rejete majoritairement des chaines H2O (eau) et CO2 (gaz carbonique). C'est une opération d'oxydation, cette opération libère de l'énergie. C'est cette énergie qui est utilisée pour chauffer et expandre les gaz qui vont pousser nos pistons et faire tourner nos moteurs.
La seule solution que nous avons d'en obtenir est de le séparer des autres éléments avec lesquels il est associé. Cette séparation demande de fournir une énergie afin de vaincre les forces des liaisons moléculaires.

Pour faire simple :
Actuellement, la quasi totalité de l'hydrogène industriel est produit à partir du gaz naturel. L'énergie nécessaire pour casser les molécules est fournie par la combustion d'une partie du gaz.
http://www.annso.freesurf.fr/reformeur.html#Principe4

* D'un point de vue énergétique, le bilan n'est positif ou égal que si le rendement de la chaine réformeur+pile+moteur électrique est >= au rendement des moteurs thermiques actuels. C'est a peu près vrai ce qui fait qu'il n'y a aucun gain.

* D'un point de vue uniquement économique, il est rentable d'utiliser de l'hydrogène comme carburant car il n'y a pas de TIPP pour en relever le prix.

La deuxième solution pour obtenir massivement de l'Hydrogène sans utiliser d'hydrocarbures est de casser les molécules d'eau. Il y a deux façons de procéder, par électrolyse (apport d'énergie sous forme électrique) et par thermolyse (apport d'énergie sous forme thermique). Le mix de ces deux solutions est possible et c'est la solution actuellement envisagée dans le futur pour produire de l'hydrogène à partir du nucléaire.
http://www.afh2.org/f/index.php?c=7&p=19

En gros, l'opération de liquéfaction consomme 50% de l'énergie initialement disponible avec H² sous forme gazeuse.
http://www.afh2.org/f/index.php?c=7&p=20

* D'un point de vue énergétique, le bilan est mauvais car on consomme de l'énergie lors de la liquéfaction. On a tout intérêt à utiliser l'hydrogène sous forma gazeuse pour les applications au sol.

* Pour une application aéronautique ou le poids et l'autonomie en vol sont primordiaux, il y a tout intérêt à stocker l'hydrogène sous forme liquide et dans des réservoirs cryogéniques qui sont beaucoup plus léger que des bouteilles préssurisées.

Quant à savoir si dans le futur, le prix du litre du kWh d'hydrogène liquide sera moins cher que le kWh de pétrole .... Grande question .....

En l'état actuel de l'industrie (c'est le marché et la TIPP qui décident), seule l'hydrogène gazeuse est concurentielle par rapport au gaz ou pétrole. malheureusement pour nous c'est aussi plus contraignant au niveau des performances de faire voler un avion avec de l'hydrogène gazeux.

En faisant un peu de science-fiction, il est en principe possible de produire un hydrocarbure à partir d'énergie nucléaire.
Le principe est d'électrolyser de l'eau pour extraire l'hydrogène et de réaliser une "carbonatation" pour acrocher des molécules de carbone à cette hydrogène afin de synthétiser un hydrocarbure liquide.
Une sorte d'essence nucléaire