Propriétés de l'eau (7/8)
Combustion

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Vocabulaire utilisé

propergol = carburant hydrogène H2 et comburant oxygène O2

Symboles : - signifie une liaison covalente, ... une liaison hydrogène.

Combustion de l'hydrogène avec l'oxygène

Cas des gaz moléculaires

L'hydrogène se combine avec l'eau dans une réaction de combustion très exothermique et rapide (explosive). La flamme varie du bleu pâle à non visible, et est peu lumineuse. Le produit de combustion (les gaz brûlés) est de la vapeur d'eau.

Dans une combustion, il faut que la molécule d'O2 ai une vitesse suffisante pour qu'elle éclate à la rencontre de la molécule qu'elle doit oxyder, ici la molécule d'H2. La vitesse des molécules dans un gaz et un liquide augmente avec la température et la pression. La pression car le trajet entre deux collisions est réduit. La vitesse de réaction augmente avec les mêmes conditions, car la température augmente la vitesse, ce qui favorise l'explosion de la molécule, et la pression augmente la probabilité de rencontre entre les molécules d'oxydant et de carburant.
Lors d'une collision, il faut que les 2 molécules puissent interagir ensemble. Ainsi, dans les conditions normales de températures et de pression, l'azote et l'oxygène atmosphériques ne réagissent pas. Par contre, avec la température élevée atteinte dans une combustion, ces deux produits se combinent si l'oxygène reste en excès (mélange pauvre par exemple), et forment ces polluants appelés les NOx.

Vitesse de réaction : 207,26 m/s.

La combustion se conserve en masse, mais provoque une perte de volume : Pour 1 dm³ de gaz hydrogène qui rentre, en plus d'1/2 dm³ de gaz oxygène, soit un volume de mélange de 1,5 dm³, nous obtenons 1 dm³ de vapeur d'eau (d'après le fait que le volume molaire d'un gaz est le même quel que soit le gaz, soit 22,4 dm³, donc que le volume d'une mole de vapeur d'eau est le même que celui de la mole d'hydrogène H₂, qui à servi à la création de cette mole de vapeur d'eau). Il y a donc bien implosion, dans le sens ou le volume du mélange diminue lors de la combustion (réduction de volume de 1-1/1.5 = 43,4 %, soit volume final = 66,66 % du volume initial), pour donner un volume de gaz brûlés moindre que le volume initial de prémélange.

Dans le moteur 4 temps classique (dit moteur à explosion), la combustion se fait lors d'une détente. Cette réduction de volume à pour effet de diminuer la chaleur et la pression du fluide moteur, ce qui réduit le rendement du moteur. De plus, la pression pendant la combustion est diminuée d'un bar, c'est à dire la pression atmosphérique qui s'exerce de l'autre côté du piston, et qui contre la pression de combustion à l'intérieur du cylindre. Cela réduit la PME.
Cette réduction de volume montre le désavantage à utiliser la combustion de l'hydrogène dans un moteur classique. En effet, lors de la combustion de l'essence, nous avons un faible volume d'essence liquide, contenant de grosses molécules, donc de volume très compact (d'autant qu'il est liquide). Leur combustion génère des produits gazeux (donc prenant plus de volumes), mais aussi plus petits (une molécule d'essence donnant de nombreuses molécules comme résidus de combustions, donc un volume de gaz brûlés très grands). Nous partons donc d'éléments très complexes pour donner beaucoup d'éléments plus simples.
Pour l'hydrogène c'est le contraire. Nous partons de beaucoup d'éléments très simples pour arriver à 2 ou 3 fois moins de produits plus complexes.
Donc si la combustion de l'hydrogène donne plus de chaleur que celle de l'essence, il faut tenir compte de la baisse de pression qu'elle génère.
Une des pistes à explorer serait de travailler en dépression (explosion lors de la phase de compression du cycle à 4 temps).
Par contre, comme la chaleur est plus élevée, les molécules résultant de la combustion, même si elles sont moins nombreuses, ont plus de vitesse que celles d'une explosion d'hydrocarbures classiques. Lorsqu'elles frappent le piston, elles donnent plus d'énergie à chaque coup, ce qui compense le fait qu'il y ai moins de coups (c'est la même chose que de rouler à bas régime pédale d'accélérateur enfoncée et à haut régime pédale au milieu, dans les deux cas l'énergie envoyée moyenne est la même). Mais après un coup, la molécule est moins énergétique (elle à perdue de l'énergie cinétique, énergie transmise à la molécule du métal du piston ou de la culasse ou du cylindre, molécule qui se met à s'agiter un peu plus, on dit que le métal chauffe). De plus, cette énergie est donnée au métal qui va surchauffer, et si les molécules du métal s'agitent trop (qu'elles ont trop d'énergies), elles vont casser certaines de leurs liaisons, macroscopiquement cela se traduit par un piston qui fond... bonjour la tenue mécanique!

A noter que lorsque l'on calcule l'énergie dégagée par la combustion du gaz hydrogène H2, on utilise la notion de PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur). Inférieur car à l'énergie réellement dégagée par la réaction (énergie récupérée lors de la formation des liaisons covalentes de la molécule d'eau, à laquelle on retranche l'énergie fournie pour casser les liaisons des molécules d'H2 et d'O2), on retranche l'énergie utilisée par l'eau liquide pour se vaporiser (casser les liaisons hydrogènes). Mais cette énergie, perdue en chaleur, est bien, dans le cas du moteur à explosion, récupérée sous forme de travail par l'augmentation de pression générée.

Le problème de l'hydrogène c'est qu'il brûle trop rapidement, ce qui entraîne le phénomène de cliquetis. Il faut alors retarder l'avance au max, de telle sorte que la pression et la chaleur engendrées au PMH soit inférieure à la pression et à la température d'auto-explosion.

A noter aussi une caractéristique de cette combustion, c'est que l'énergie d'inflammation à fournir (l'étincelle d'allumage) est moins puissante que celle nécessité par l'essence, et que la zone de coincement de la réaction (épaisseur mini entre laquelle la flamme s'éteint) est bie plus faible que pour l'essence. La combustion peut alors se prolonger en dessous des soupapes, mais passera aussi plus facilement entre des sièges de bougies mal étanches, pour provoquer ce qu'on appelle le retour de flamme (inflammation du mélange dans le collecteur d'admission).

Déterminons, à l'aide des énergies de liaisons des diverses molécules entrant en jeu (H2, O2 et H2O), le PCi du gaz hydrogène :
Pour casser la liaison de la molécule H2, il faut fournir ??? . Pour l'eau, on récupère lors de la formation des deux liaisons covalentes

Cas des gaz atomiques

Ce paragraphe n'est fondé que sur des réflexions personnelles, à prendre avec des pincettes.
Considèrons maintenant un gaz stoechiométrique d'atomes d'O et de H, vraissemblement réduits tous les deux à l'état d'ions. Ce serait la particularité du gaz de Brown. Peut-être aussi que les molécules n'ont pas le temps de se former, car les gaz en sortie de la dissociation ne sont pas stockés mais utilisés immédiatement.

Vitesse de réaction : taux propagation de la flamme (célérité) de 2487,17 m/s => mach 7.5. (207,26 m/s pour un mélange classique moléculaire).

La combustion est encore plus implosive que le cas classique : c'est sans doute ce qui explique le fonctionnement par implosion du gaz de Brown ou de la voiture de Dingel : Pour 2 dm³ de gaz H qui rentre, en plus d'1 dm³ de gaz oxygène, soit un volume de mélange de 3 dm³, nous obtenons 1 dm³ de vapeur d'eau. Il y a donc bien implosion, dans le sens ou le volume du mélange diminue lors de la combustion (réduction de volume de 1/3, soit volume final = 33,33 % du volume initial), pour donner un volume de gaz brûlés moindre que le volume initial de prémélange. Voir les considérations pour le mélange moléculaire concernant l'utilisation de cette implosion dans un moteur à explosion.

 

Réfléchissons maintenant au cas où le gaz fournit n'est non pas formé de molécules mais d'atomes. C'est ce qui est dit dans le brevet de William A. Rhodes (U.S. Patent 3 262 872 déposé le 26 Juillet 1966), si le canal d'évacuation est commun aux deux gaz, les atomes ne se regroupent pas, ou moins vite, en molécules. Ce gaz, en mélange stoechiométrique ("stoechiométrie mix" en anglais), aurait des propriétés non explosives mais implosives (comme le gaz de Brown, qui semble-t-il est un gaz stoechiométrique), donc moins dangereux. Ce gaz apporte une réduction du volume lors de la combustion, mais une énergie dégagée supérieure à celle de l'hydrogène classique (il n'y a plus les liaisons hydrogène H2=>H+H à casser, de même que la liaison de la molécule d'oxygène). Or, l'énergie fournie pour casser ces liaisons est fournie dans un premier temps par l'étincelle de la bougie, puis ensuite par la chaleur dégagée par la formation des liaisons covalentes de l'eau, cette énergie de séparation des liaisons venant diminuer l'énergie totale de la réaction. Si le gaz moléculaire hydrogène à un PCI de 120 mJ/kg, le gaz atomique H à un PCI largement supérieur.
Ce qui me fait penser que la vibrolyse produit un gaz atomique, c'est l'absence de chaleur dégagée par la réaction. Dans une électrolyse classique, l'échange d'électrons provoque une séparation endothermique de la molécule d'eau, puis la recombinaison des atomes en molécules d'oxygène et d'hydrogène (peut-être facilitée par le contact de l'électrode conductrice et sous potentiel) provoque un fort dégagement de chaleur (cette chaleur étant perdue, comme le fait que l'air comprimé s'échauffe lors de sa production, et que cela nuise au rendement de l'opération).
Or, dans le cas de la vibrolyse, pas de chaleur générée. Ce qui pourrait s'expliquer par :

- Seule une petite partie des atomes constitués sont combinés en molécules, le dégagement produit étant absorbé par la réaction endothermique de dissociation de l'eau.
- Soit les atomes ne se recombinent pas, et alors les atomes de la molécules d'eau sont séparés sans absorption de chaleur, c'est à dire que leur niveau d'énergie reste celui qu'ils avaient dans la molécule, c'est à dire inférieur à celui d'un atome "normal" et seul. Ce qui expliquerait qu'ils n'aient pas besoin de se recombiner par la suite, cette recombinaison en molécule (H+H=>H2) n'ayant pour but que de faire diminuer l'énergie des deux atomes.
Les atomes générés par vibrolyse n'auraient donc pas assez d'énergie pour se recombiner.
Lors de la combustion d'un tel gaz, on gagnerait en énergie totale de la réaction le fait que les liaisons ne soient pas à casser. Mais sans doute aussi il faut fournir de l'énergie à ces atomes pour qu'ils retrouvent un état d'énergie qui les rendent aptes à se combiner en molécule d'eau, cette énergie étant probablementla même que celle qu'il faut pour rompre la liaison.

Pour ma part, je pencherais plutôt pour la deuxième théorie, mais ce ne sont que des spéculations de ma part, et mon bagages scientifique n'est sans doute pas assez lourd pour en trouver d'autres (en allant chercher dans la mécanique quantique par exemple, comme c'est fait dans le site Spirit of Maat). Je n'ai pas encore les connaissances pour mettre en équation cette théorie, c'est juste une explication de ma part. A moins d'une grosse erreur, je trouve que ça tiens la route.

Donc, le fait que le gaz soit moléculaire ne devrait pas apporter beaucoup de changement au niveau du PCI du gaz atomique. A moins que l'énergie soit prise ailleurs (dans une autre dimension...).
Ce gaz brûlerait encore plus vite que l'hydrogène moléculaire (agitation des atomes plus rapide que celle des molécules), et la réaction serait plus chaude (ce qui confirmerait que de l'énergie est en plus, surement celle qui n'est pas absorbée dans la destruction des liaisons.

Il faut bien fournir de l'énergie à ces atomes célibataires pour qu'ils fassent ménage à trois dans la molécule d'eau, mais moins semble-t-il que s'ils devaient divorcer auparavant de leur liaison dans le dioxygène ou le dihydrogène.

Données de Brown : Avec une voiture (on n'a pas d'info sur le type de voiture, si le moteur est d'origine ou pas, etc.) il a fait 1600 kms avec 3,78 l (les chiffres "tombent" mieux dans les unités américaines : 1 gallon d'eau pour 1000 miles).
Calculons le PCI de ce gaz atomique : Le gaz atomique est obtenu par électrolyse classique, avec un rendement de 76 % par rapport à l'énergie récupérée par un gaz moléculaire (soit 10,78 kJ/dm³), or il est dit de Brown que l'électrolyse à une efficacité de 95%, donc l'énergie pour produire 1 dm³ de gaz moléculaire, appelée y, me donnera une énergie de 10,78 moins le rendement de 76 %, ce qui donne l'équation n°1 : 0,76 y = 10,78 kJ. Si je considère maintenant que la même énergie y me donne 1 dm³ de gaz non plus moléculaire mais atomique, et que je sais que la combustion de ce gaz atomique me donne 95% de l'énergie mise en jeu (c'est à dire y), le PCI de ce gaz satisafait à l'équation n°2 : 0,95 y = PCI atomique. y m'est donnée par la première équation, c'est 10,78/0,76=14,1842kJ, donc le PCI du gaz atomique serait de 13,475 kJ/dm³, ou encore 150 MJ/kg. (Données non fiables, à partir du texte du site Quanthomme, qui contenait quelques erreurs et qui est une traduction d'un article de quelqu'un dont le beau frère à entendu chez le boucher qui sert le cousin de...)

Autre idée sur le résultat  énergétique de ce type de carburant : le fait que le gaz soit récupéré directement au-dessus de l'eau électrolysée ou vibrolisée, fait qu'il contient un faible pourcentage de vapeur d'eau. Comme la vapeur se dissocie à 1300 °C, et que la température de combustion dépasse allègrement les 3000 °C, il se pourrait qu'une partie de la vapeur d'eau se décompose (en absorbant une partie de la chaleur qui ne servirait pas à être transformée en travail mais à être évacuée dans le circuit de refroidissement) puis se recombine en explosion. Le résultat énergétique d'une telle réaction est nulle, mais c'est utilisé dans certains moteurs très puissants pour améliorer la combustion. Il faut que je me renseigne là-dessus.

Utilisation de l'eau comme carburant

Données de base

Tout d'abord, les grandeurs qui vont servir pour les calculs, telles que le nombre d'Avogadro N_A, La valeur de l'électron-volt ev (très faible unité d'énergie, très pratique quand on calcule des échanges d'énergie au niveau atomique), La valeur de la charge de l'électron e, et la constante de Faraday F qui est la quantité de charge à fournir pour électroliser 1 mole :
N_A = 6,0221367.10²³
1 J = 6,25.10¹⁸ eV
e = 1,602 177 33.10^-19 C
F = 96 485,3 C

Je vais aussi rappeler quelques notions de chimie qui vont nous servir :
- 1 mole de gaz fera toujours un volume de 22,4 dm³, quel que soit l'élément constituant le gaz. La masse de ce volume elle ne sera pas la même si l'élément est différent. Ainsi, une mole d'hydrogène et une mole d'oxygène occuperont le même espace, même si la mole d'hydrogène est moins lourde (on la retrouvera au-dessus de la mole d'oxygène).

Quelques données sur l'eau et ses deux composants, l'hydrogène et l'oxygène, ainsi que son concurrent, l'essence. Nous donnerons la masse volumique en litres ou en m³, la masse moléculaire en uma (non notées), sachant que pour la molécule d'eau la masse moléculaire est 18, ce qui implique que la masse d'une mole d'eau soit de 18 g.
Nous considérerons le gaz issu de la décomposition de l'eau. Nous ferons pour ce gaz deux hypothèses :
1) Le mélange stoechiométrique (O₂+2H₂) si l'on suppose que les molécules d'O₂ et d'H₂ se sont formées après la dissociation de l'eau.
2) Le mélange stoechiométrique (O+2H) si l'on suppose que les molécules n'ont pas eu le temps de se former après la dissociation de l'eau.
Sous le tableau je donnerais les calculs qui m'ont servis à retrouver des infos non présentes dans la littérature.
Les points d'interrogation signifie qu'il reste des calculs à faire ou des infos à trouver. J'y ajouterais les infos spécifiques ne pouvant rentrer dans le tableau. Les traits signifie qu'il ne peut y avoir de données correspondantes pour le type de corps étudié.

	masse volumique ρ		masse molécu- laire	Pourcentage en masse	Pourcentage en volume	Energie de liaison (kJ/mol)	PCI
	en kg/l	en kg/m3					MJ/kg	kJ/dm3
eau H2O (liquide)	1	1 000	18	H :1/9=11,11% O :8/9=88,88%	H:??? O:???	234 ???	-	-
Vapeur d'eau (gaz)	6.10-4	0,6	18	H :1/9=11,11% O :8/9=88,88%	H:??? O:???	???	-	-
mélange stoechiométrique moléculaire (O2+2H2) (gaz)	4,8.10-4	0,48	-	H2 :1/9=11,11% O2 :8/9=88,88%	H2 :66,4% O2 :33,6%	-	???	???
mélange stoechiométrique atomique (O+2H) (gaz)	4,8.10-4	0,48	-	H :1/9=11,11% O :8/9=88,88%	H :66,4% O :33,6%	-	???	???
H2 (gaz)	0,899.10-4	0,0899	2,016	H : 100%	H : 100%	435,13	120	10,788
H (gaz)	0,4495.10-4	0,04495	1,08	H : 100%	H : 100%	-	150	13,475
Essence (super - liquide)	0,750	750	???	???	???	???	43,5	32.625
O2 (gaz)	1,43.10-3	1,43	31.998	O : 100%	O : 100%	???	-	-
air	1,293.10-3	1,293	???	O : 21%	???	-	-	-

Feuille de calcul du tableau précédent :

* eau H₂O (liquide):

- Pourcentage en masse de l'eau : 2/18=1/9=11,11 % de H₂ et 16/18= 88,88 % de O (ou d'O₂ car la masse se conserve lors de la formation de la molécule d'oxygène).
- Dans 1 kg d'eau (1 l), il y a 1000/9=111 grammes d'H₂ (111/ρ_H2=1 235 dm³) et 889 grammes d'O₂ (622 dm³). A 1 dm³ d'H₂ correspond 0,5 dm³ d'O₂.
1 litre d'eau génère 1235+622=1860 dm³de gaz (O₂+H₂), dont 1 235 dm³d'H₂et 622 dm³d''O₂.
- L'électrolyse d'une seule molécule d'H₂O dans une solution aqueuse de soude nécessite l'apport de 2 e-.
- Énergie de liaison des liaisons hydrogène =10kJ par mole. Ces liaisons hydrogènes apparaissent et disparaissent au rythme de 10¹² fois par seconde (durée de vie de 10 ps), rompues par l'agitation thermique. l'O fournit les deux électrons de la liaison hydrogène et peut s'engager dans deux liaisons hydrogène.
- Pour une molécule dont l'écartement entre les deux atomes de H est de 104°, la distance O-H est de 0,1 nm. La distance H et O via la liaison hydrogène est presque le double, soit 0,18 nm.
- Dans la glace, le réseau est cristallin et hexagonal. Dans l'eau liquide, les liaisons hydrogènes sont moins nombreuses, ce réseau est désordonné, mais il reste quelques poches hexagonales. Les molécules d'eau ont plus de degrés de liberté pour absorber de l'énergie.
- 1 mole d'eau recombinée fournie 234 300 Joule. Donc énergie de liaison de 234 kJ/mol, mais je ne sais pas si cette info tient compte du passage de H2 en H, et diverses réactions intermédiaires. Je crois que c'est bien juste l'énergie récupérée en "collant" 2 H et un O.

* Vapeur d'eau (gaz):

- On combine 2 moles d'hydrogène H₂ gazeux (44,8 dm³ et 4,032 g) à 1 mole d'oxygène O₂ gazeux (22,4 dm³ et 31,998 g) pour obtenir 2 moles de vapeur d'eau (44,8 dm³ et 36 g) => réduction de volume de 1,5.
- Dans l'hypothèse atomique, on combine 2 moles d'hydrogène H gazeux (44,8 dm³ et 2,016 g) à 1 mole d'oxygène O gazeux (22,4 dm³ et 16 g) pour obtenir 1 moles de vapeur d'eau (22,4 dm³ et 18 g) => réduction de volume de 3.

* mélange stoechiométrique (O₂+2H₂) issu de la décomposition de l'eau (gaz):

- 1 litre d'eau génère 1235+622=1860 dm³ de gaz (O₂+H₂). Soit une proportion volumique de 1235/1860=66,4% de H₂ et 33,6 % de O₂. Proportion massique celle de l'eau (11,1 % de H₂ et 88,9 % de O₂).
- masse volumique = 0,664(%H₂ en volume)*0,0899(ρ_H2)+33,6(%O₂)*1,43(ρ_O2)= 0,48 kg/m³

* mélange stoechiométrique (O+2H) issu de la décomposition de l'eau (gaz):

- 1 litre d'eau génère 1235+622=1860 dm³ de gaz (O+H). Soit une proportion volumique de 1235/1860=66,4% de H et 33,6 % de O. Proportion massique celle de l'eau (11,1 % de H et 88,9 % de O).
- masse volumique = 0,664(%H₂ en volume)*0,0899(ρ_H2)+33,6(%O₂)*1,43(ρ_O2)= 0,48 kg/m³

* H₂ (gaz) :

- masse volumique ρ_H2 = 8,99.10^-5 kg/dm³ = 0,0899 kg/m³ (ou g/dm³, à 0°C et 1013 mbar).
- PCI = 120 MJ/kg = 10,788 kJ/dm³ (associé avec de l'oxygène pur). 1 mole d'H2 vaut 120 kJ/g*2,016g = 241,92 kJ/mole.
- CEMV (kJ/dm³ de mélange air-carburant, à la richesse 1, pression 1 bar et 25°C) = 2,92 kJ/dm³ ou 33 MJ/kg (associé à l'air, par kg de mélange stoechiométrique, soit 33*0.0899=2,96 kJ/dm³)
- température d'inflammation : 560 °C
- besoin théorique en air : 34 kg(air)/kg(hydrogène), 34 kg d'air représentant 7,14 kg d'oxygène (21% de l'air atmo), demandant à s'associer avec 2*(1/16) de sa masse, soit 0,89 kg d'hydrogène. Donc 97% de masse d'air. La stoechiométrie calculée serait à 16/2=8kg d'oxygène, soit 38 kg/kg.
En volume, cela nous donne 34/1.293 = 26.29 m³ associés à 1/0,089 = 11,23 m³ d'hydrogène, donc 37,52 m³ en tout. Pour 1 dm³ de mélange, on a 26,29*100/37,52 = 70 % de volume d'air et 30 % d'hydrogène.
- inflammabilité du mélange : si le volume du gaz est compris entre 4% (mélange pauvre) du mélange et 77 % (la stoechiométrie donnant 2,86 %).
- Vitesse moyenne des molécules à 0°C : 1700 m/s. Chaque molécule subie en moyenne 1.10⁹ chocs par seconde.

* H (gaz atomique) :

- 435 kJ/mol (énergie de liaison de H2) La recombinaison de deux H en H2 donne donc 435 MJ/kg ( 1 kg = 1000 moles d'H atomique). Il y a donc plus d'intérêt à produire du H2 que de l'eau, ou alors la combinaison de H avec O donnerait une énergie phénoménale.

- densité est divisée par deux par rapport au gaz moléculaire (en négligeant la masse d'un électron à l'échelle d'une mole, car on ne sais pas encore si l'atome est ionisé ou non). Masse volumique ρ_H= 4,495.10^-5kg/dm³= 0,04495 kg/m³
- PCI pour un gaz atomique : 150 MJ/kg, ou 13,475 kJ/dm³ (voir précédemment les calculs, partie sur la combustion de l'hydrogène). Ce PCI est supérieur à ce qui est donné, si le gaz hydrogène est moléculaire, car on récupère l'énergie de la liaison covalente de l'hydrogène qu'il ne faut plus casser).

* Essence (super - liquide) :

- masse volumique = 0,750 kg/l = 750 kg/m³
- chaleur d'évaporation = 500 kJ/kg
- PCI = 43,5 MJ/kg = 32.625 MJ/l (liquide)
- CEMV (kJ/dm³ de mélange, à la richesse 1, pression 1 bar et 25°C) = 3,46 kJ/dm³ (gaz)
- température d'inflammation : 400 °C
- besoin théorique en air : 14,7 kg(air)/kg(essence) (94 % de masse d'air).
En volume, 14,7/1,293 = 11,368 m³ associés à 1/0,750 = 1,33 m³ d'essence, soit 89 % de volume d'air.
- inflammabilité du mélange : si le volume du gaz est compris entre 0,6% (mélange pauvre) du mélange et 8 % (la stoechiométrie donnant 6.36%). En pratique, on ne descend pas en dessous de 4,8 % pour ne pas avoir de ratés de combustion.

* O₂ (gaz):

- masse volumique ρ_O2 = 1,43.10^-3 kg/dm³ = 1,43 kg/m³ (ou g/dm³, à 0°C et 1013 mbar)
- masse moléculaire = 31.998

* air :

masse volumique = 1,293 kg/m³ (ou g/dm³, conditions normales)
pourcentage d'oxygène : 21%

*Atome d'hydrogène :
électronégativité : 2,2 - rayon de covalence : 0,32 Å - rayon ionique : 1,54 (+1) Å - rayon atomique : 0,79 Å

*Atome d'oxygène :
électronégativité : 3,44 - rayon de covalence : 0,73 Å - rayon ionique : 1,4 (-2) Å - rayon atomique : 0,65 Å

* Plage de débit d'essence pour la deuche :
- valeur haute de fort débit d'essence : Sur autoroute, en considérant une consommation de 10 litres au 100, en roulant à 130 km/h (cet exemple est exagéré pour nous donner une valeur haute de fort débit d'essence), donc 100 km parcourus en 46,15 minutes. Donc une consommation de 10/46,15=217 ml/min (13 l/h)=3,616.10^-3 l/s.
- valeur basse du débit : au ralenti, soit 0,5 l d'essence par heure, cela nous donne 8.10^-3 l/min soit 1,33.10^-4 l/s.

* Équivalence entre masse carburant et masse hydrogène, au niveau énergétique :
1kg d'essence vaut 43,5 MJ, 1kg d'H₂ vaut 120 MJ, donc 43,5/120=0,3625 kg d'H₂ vaut l'énergie d'1 kg d'essence.
En terme de volume, 1 litre d'essence vaut 0,75 kg (32,625 MJ), donc il me faut 0.3625*0.75=0,2718 kg d'H₂ pour 1 litre d'essence, soit un volume gazeux d'H₂ de 0,2718/8,993.10^-5=3023,35 dm³ (aux conditions normales).
1 litre d'eau donne 1235 dm³ de H₂, soit 1235/3023=0,408 fois l'équivalent énergétique d'un litre d'essence. 1l essence = 1/0,408= 2,448 l d'eau. La consommation d'eau par rapport à celle de l'essence est plus que doublée.
Pour l'hypothèse atomique, on aurait 43,5/150=0,29 kg d'H vaut l'énergie d'1 kg d'essence.
En volume, 0.29*0.75=0,2175 kg d'H pour 1 litre d'essence, soit un volume gazeux d'H de 0,2175/4,495.10^-5=4 838,7 dm³ (aux conditions normales).
1 litre d'eau donne 1235 dm³ de H₂, soit 1235/3023=0,408 fois l'équivalent énergétique d'un litre d'essence. 1l essence = 1/0,408= 2,448 l d'eau. La consommation d'eau par rapport à celle de l'essence est plus que doublée.

1 litre d'eau donne 1235 dm³ de H₂, soit 1235/3023=0,408 fois l'équivalent énergétique d'un litre d'essence. 1l essence = 1/0,408= 2,448 l d'eau. La consommation d'eau par rapport à celle de l'essence est plus que doublée.

Alimentation d'un moteur par électrolyse

Regardons maintenant l'intérêt d'une électrolyse classique (par courant continu) pour fournir de l'hydrogène comme carburant automobile.

Calculs de rendement

- L'on veut dégager 1 dm³ de H₂.
D'après la loi de Faraday, il faut 96 485,3 C (constante de Faraday F) pour dégager 1 valence-gramme d'hydrogène H (soit 1 atome-gramme, la valence de l'hydrogène H étant 1). Pour libérer une mole d'hydrogène H₂, il faut le double de coulombs, soit 192 970,6 C.
Comme il faut 2*F coulombs pour dégager 1 mole d'H₂, occupant dans les conditions normales le volume molaire de 22,4 dm³, pour dégager 1 dm³ de H₂ il nous faudra une quantité d'électricité Q telle que:
Q/2F = 1 / 22,4, donc Q= 1*2*96 485,3/22,4 = 8 614,76 C pour 1 dm³de H₂.
Le volume d'oxygène recueilli est 2 fois plus faible que celui de l'hydrogène, soit 0,5 dm³.
La masse d'eau décomposée x est obtenue par le fait qu'une mole d'eau (18g) donne une mole d'H₂ occupant un volume molaire de 22,4 dm³. Donc x/18 = 1/22,4 => x=18/22,4=0,8 g d'eau.
Pour séparer 1 l d'eau (1000g), il faut donc (1000/0,8)*8 614,76 = 10 768 450 C. Sous la tension pour contrer la fcem du voltamètre dans l'électrolyse classique, soit 1,47 V, cela nous donne une énergie de 10,8 MC*1,47=15,829 621 MJ pour dissocier 1 l d'eau.
L'hydrogène recueilli (1 235 dm³) permet de récupérer 10,788 kJ/dm³ * 1235 = 13,323 MJ.
Soit un rendement (13,323/15,829) de 84 %.
Si l'on prend comme tension min 1,22V (obtenue en choisissant au mieux les paramètres de l'électrolyse), l'énergie d'électrolyse minimale est alors de 10,8 MC*1,22=13,137 509 MJ.
On récupère 13 323-13 137=137 kJ. Soit un rendement (13.323/13.137) max de 101 %. Ce qui n'est pas suffisant.

Énergies de liaison

Pour casser l'énergie de liaison, il faut MJ/mol, soit MJ/l. Or, ici l'on fournit en moyenne 15 MJ/l.

Calculs sur le gaz de Brown

Dans la page de Quanthomme, il est dit que 1kWh=340 litres de gaz, soit 3 600 kJ=340 dm³ de mélange stoechiométrique de O₂ et H₂ (225,76 dm³ de H₂ et 113,56 dm³ de O₂). Sachant que la combustion de l'hydrogène nous donne 10,788 kJ/dm³, on récupère pour 225,76 dm³ de H₂ l'énergie suivante : 2 435,498 kJ. Le gaz de Brown est donc bien tiré de l'eau par électrolyse classique, avec un rendement de dissociation de 2 735,498/3 600 = 0,76, il n'est donc pas trop optimisé, mais il semblerait que la combustion soit elle optimisée (implosion plutôt qu'explosion). Le moteur à eau de Dingel semble lui aussi utiliser le même principe. C'est l'utilisation du gaz qui est optimisée, pas sa fabrication. Leur cellule électrolytique utilise bien le +12 V continu de la batterie, mais le gaz qui en est tiré fournirait bien plus que les 120 MJ/kg annoncés généralement.
Brown annonce un rendement de son moteur de 80 % (à prendre avec précautions, juste après il dit (ou on lui prête ces dires) que le moteur classique à un rendement de 5% (ce qui est faux, il est entre 20 et 30 %)), ce qui est proche des 0,76 % trouvés lors de l'électrolyse. Est-ce que c'est le cycle thermodynamique qui donne 0,8 de rendement, ou bien parle-t-il du rendement de conversion électrolytique. Pour dépasser les 120MJ/kg, il faut que ce soit en partie de l'hydrogène naissant.

Calculs de débits

- limite haute : 4.10^-4 l/s =>3.10^-4 kg/s d'essence nécessaire, soit 3*0,3625=1,0875.10^-4 kg/s ou 0,10875 g/s d'hydrogène à fournir. Pour libérer une mole d'hydrogène H₂ (soit 2,016g), il faut 192 970,6 C. Pour libérer 0,10872 g/s, il nous faut 0,10872*192970,6/2=10 489,88 C/s.
Comme c'est la quantité qu'il nous faut, on en déduit l'intensité à fournir : 10 500 A. C'est énorme.

- limite basse : 1,33.10^-4 l/s => 0,9975.10^-4 kg/s d'essence nécessaire, soit 0,9975*0,3625=0,3616.10^-4 kg/s ou 0,03616 g/s d'hydrogène à fournir, ce qui nous demande un courant de 0,03616*192970,6/2=3 488,85 C/s.
L'intensité à fournir : 3 500 A. C'est énorme.

Discussion sur l'intérêt de l'électrolyse pour obtenir de l'hydrogène

Pour résumer l'électrolyse et son utilisation pour fournir en direct un carburant :
- Oui, quand on fait passer un courant dans un électrolyte (par exemple, l'eau du robinet conductrice grâce aux ions calcium du calcaire chargés positivement), on obtient du dégagement d'H2 aux électrodes,
- Oui, cet hydrogène peut servir de carburant dans un moteur,
- Non, on ne peut pas se servir de l'électrolyse pour générer le carburant à la demande.

Car :
- il faut une énergie minimale à fournir pour faire passer un électron d'un potentiel de 0V à un potentiel de 1,2 V, pour ensuite qu'il puisse séparer la molécule d'eau.
- même si on trouvait une réaction qui demande un voltage inférieur, l'énergie à fournir sera supérieure à l'énergie récupérée en sortie du moteur (même si le rendement de l'électrolyse est supérieur à 100 %, seule 30 % max de l'énergie en sortie de l'électrolyse sera récupérée en sortie du moteur). L'énergie du moteur ne peut être employée pour électrolyser son propre carburant.
- De toute façon, le débit de gaz électrolysé est largement inférieur aux besoins du moteur, ou alors à des intensités demandant un appareillage ne pouvant être embarqué.

L'ionisation de la molécule d'eau et le passage du courant électrique dans l'eau n'est donc pas un procédé envisageable (à part pour les éoliennes, mais reste le problème du stockage). Il faut s'orienter vers autre chose si l'on veut séparer efficacement la molécule d'eau. Ce procédé devra forcément casser la liaison covalente, libérant ainsi des atomes et non des ions (c'est à dire que les atomes d'Hydrogène devront être munis de leurs deux électrons au moment de quitter l'hydrogène). Il ne doit pas y avoir de courant électrique passant dans l'eau. De plus, les atomes d'hydrogènes ne devront pas se recombiner aux atomes d'oxygène qui viennent d'être libérés.

Vibrolyse

Voir ma page de tests infructueux sur le sujet.

Récapitulatif

=> 1kg d'eau = 111 g d'H₂+ 889 g d'O₂ et 1 l d'eau = 1 235 dm³d'H₂+ 622 dm³d'O₂
=> au niveau énergétique, 1kg essence = 0,3625 kg d'H₂ et 1 litre d'essence = 3 023,35 dm³ d'H₂ et 1 l essence = 2,448 l d'eau. Au niveau massique, l'hydrogène est (1/0,3625) 2,76 fois plus énergétique que l'essence.

Rendement nécessaire pour faire tourner un moteur

Regardons le rendement de la séparation de l'eau qu'il faudrait espérer pour voir tourner son moteur :
Prenons un rendement thermodynamique moyen du flat-twin de 25 %.
Donc, sur les 120 MJ/kg de la combustion de l'hydrogène, il ne nous reste plus que 30 MJ/kg.
Sur ces 30 MJ, il y en a 88 % qui servent à l'avancement de la voiture, les 12% se répartissant entre l'alternateur, le ventilateur et les pertes de transmissions. On ne peut donc qu'accorder 1 % des 25% de l'énergie récupérée par la combustion de l'hydrogène, pour fabriquer à nouveau de l'hydrogène.
Pour que la vibrolyse marche avec un moteur thermique, il faut un rendement de vibrolyse de % (en prenant l'énergie classique de combustion de l'hydrogène).
Le moteur de la deuche fournit 20 kW (issu des 30 MJ/kg), et sur cette puissance, l'on prélève une puissance électrique de vibrolyse de 12 V*5 A*0,9 (l'impulsion durant 90% du temps) = 54 W, soit une quantité négligeable (0,0027 % des 20 kW) en regard de la puissance moteur récupérée. On se trouve bien dans la tranche de 1% imposée. Si l'on calcule le rendement de cette opération, on obtient 120 / (30*0.0027) = 148 100 %.
Je dois surement me tromper quelque part dans mes calculs.
Le meilleur "rendement" que j'ai vu jusqu'à présent, c'est les 400% d'efficacité de la pompe à chaleur (le COP, mais une partie de l'énergie extérieure amenée au système n'est pas prise en compte, on ne considère que ce que ça nous coûte).

Adaptation du contrôle moteur s'il fonctionne à l'hydrogène

Prenons comme hypothèse un remplissage du cylindre de 0,70, soit 0,7*301 cm³ = 210,7 cm³= 0,2107 dm³.
Si l'on absorbe un mélange hydrocarbure, cela nous fait une énergie de 3,46 kJ/dm³(CEMV)*0,2107dm³= 0,729 kJ/tr.
Vérification: cette énergie est injectée à chaque tour, soit une énergie, à 120 tr/s (6000 tr/min), de 87,48 kJ/s, soit 90 kW. Cette puissance est celle fournie par l'explosion. Or, le moteur de la deuche ne donne que 20 kW, ce qui s'explique par le rendement thermodynamique du moteur qui est de 25%, ainsi que du rendement de combustion, des pertes par frottement, etc... Le rendement du moteur de la deuche est donc de 20/90=22% (approximativement, à 6000 tr/min le remplissage n'est pas de 0,7, mais de moins, et le mélange n'est pas stoechiométrique mais riche).
On a un CEMV de 3,46 kJ/dm³ pour le mélange d'essence, et si je veux 20 kJ/s / 0,22 (rendement) = 90,91 kJ/s à 6000 tr/min, il faut que j'injecte à chaque explosion 91 kJ/s / 120 tr/s = 0,7545 kJ/tr soit 755 J par explosion (on retrouve le résultat de 0,729 kJ/tr).
A noter que cette puissance n'est pas obtenue à la stoechiométrie, mais avec un mélange plus riche. En effet, il faudrait pour avoir 755 J/tr un volume de mélange stoechiométrique de 0,755/3,46 = 0,218 dm³/tr, soit un remplissage de plus de 1. Cela ne se passe pas en réalité, cette surpuissance illustre bien le fait que la puissance du mélange augmente avec la richesse.
Sachant que le mélange hydrocarbure est constitué par 94 % de masse d'air soit 89 % de volume d'air dans le mélange.

Nous prendrons par la suite une énergie max de 740 J/tr. Pour obtenir la même énergie avec de l'hydrogène, il nous faut 0,740 kJ/tr / 10,788 kJ/dm³ = 0,0686 dm³= 68,6 cm³/tr d'H₂ (soit 6,167.10^-3 g/tr  ou 6,167 mg/tr à 0°C et 1 atm). Il nous faut compléter par de l'oxygène, soit la moitié en volume (égalité des volumes molaire des gaz), c'est à dire 34,3 cm³/tr. Si l'on suppose que le gaz qui sort du générateur d'hydrogène est stoechiométrique (2 volumes d'hydrogène pour un volume d'oxygène), il nous faudra remplir le cylindre avec 103 cm³ de gaz issu du générateur. Reste à savoir ce que l'on prendra pour remplir la moitié restante du volume du cylindre au remplissage max (107 cm³).
Si l'on ne prend pas l'air atmosphérique, la compression au final sera moins bonne, donc le rendement de combustion abaissé. Mais si l'on ne prend pas d'air additionnel, on n'a pas de problèmes de corrosion.
On pourrait échauffer les gaz en entrée, pour augmenter légèrement leur volume. On pourrait aussi laisser une dépression dans le cylindre (comme ce qu'il se passe au ralenti), tracer un diagramme du cycle pour voir si l'on perd de la puissance (l'énergie de cette dépression étant normalement récupérée lors de la phase de compression).
Si la pression au PMH explosion n'est pas assez élevée, on perd énormément en travail sur le cycle, pour la même énergie dépensée, donc on perd en rendement.
On pourrait alors penser à faire un recyclage des gaz d'échappement, en injectant de la vapeur d'eau, ou même carrément de l'eau liquide, ce qui refroidirait un peu la combustion, la ralentirait ( détonation de l'hydrogène) et par l'augmentation de volume permettrait de récupérer la pression perdue par le refroidissement de la combustion.

Calculons maintenant pour une puissance de 17 kW au lieu des 20 kW en pointe (comme je conduis pépère, je demande très rarement les 20 kW à mon moteur). Soit 85 % de la puissance, il me faudra donc 740*0.85=630 J/tr, soit 630/10,788=58,39 cm³/tr d'H₂ (soit 5,25 mg/tr à 0°C et 1 atm). 

Quelques données issues des soit disant expériences de par le monde

Il s'agit de données qui n'ont jamais évoluées ou fait l'objet de confirmations extérieures depuis 2005, tendant à prouver que ces données sont fausses.

Daniel Dingel : Son électrolyse (effet électromagnétique) sous haute tension consomme 3 A à 5A sous 12 V (c'est la consommation de la bobine d'allumage). Cela suffit pour alimenter des moteurs thermiques automobile de 85 kW, avec une conso de moins d'1 l d'eau au 100 kms, ce qui signifie que :
- soit son moteur à un super rendement (en utilisant la création d'un vide ou implosion),
- soit il récupère une partie de la vapeur d'eau issue de la combustion pour la remettre dans le circuit.

Dans le prototype de wasserauto, les meilleurs résultats sont obtenus semble-t-il aux fréquence de 24,4 kHz, puis 48,8 jusqu'a 52 kHz.

Puharich à réalisé qu'il pouvait énergiser la molécule d'eau de façon électrique en passant de la forme spatiale de 104° à celle à la configuration tétrahèdrique 109°28". Un générateur de fonction électrique est utilisé pour produire une fréquence à forme d'onde électrique complexe.  Puharich à trouver la fréquence de résonnance à 600 Hz (+/- 5 Hz) quand il se place à 4 V rms et 25 mA (100 mW) ou 2.6 V et 38 mA (98.8 mW).

Pour en savoir plus...

Les papiers de l'International Academy of Sciences, sur l'utilisation de l'hydrogène à la place de l'essence (moteurs à combustion interne, en anglais.

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à suivre...