Objet
Démontrer qu’il est possible de développer une mobilité non polluante en utilisant de l’hydrogène pour alimenter en électricité, produite par une pile à combustible, le moteur d’une maquette de train évoluant sur un circuit de rails, celui-ci n’étant pas électrifié.
Principe
L’application concerne ici une maquette télécommandée de train dont l’énergie électrique de traction est produite à bord. Ce principe permet d’envisager le « verdissement » du ferroviaire par le remplacement des moteurs thermiques diesel pour les lignes non électrifiées du réseau.
- La maquette est tractée par le moteur électrique de la locomotive. Son énergie est fournie par une pile à combustible située dans le « tender » qui porte aussi le réservoir d’hydrogène. Dans la pile à combustible, l’hydrogène réagit avec l’oxygène de l’air au contact du catalyseur pour produire ainsi du courant électrique. La réaction dégage de la chaleur et de la vapeur d’eau qui est le seul rejet.
- L’hydrogène existant très peu sur notre planète à l’état naturel, sous forme gazeuse, il doit être produit de manière propre et durable, donc sans émission carbonée, par exemple par électrolyse de l’eau (voir fiche 6) avec une énergie électrique provenant de préférence d’une source renouvelable : le soleil, le vent, l’hydraulique, etc.
- L’hydrogène est un vecteur d’énergie qui permet indirectement de stocker aisément de grandes quantités d’énergie électrique. La pile à combustible restitue l’énergie électrique ainsi stockée*.
* Le lecteur intéressé peut se référer à la fiche 2 traitant du stockage hydraulique de l’énergie électrique (STEP : Stockage d’énergie par pompage turbinage)
Description sommaire
Le dispositif comprend :
- La maquette d’un « train de jardin » qui reproduit un train de marchandises constitué de :
- Une locomotive comportant le moteur électrique.
- Un tender portant la pile à combustible, le réservoir d’hydrogène et le récepteur de la télécommande. Une liaison électrique filaire enfichable relie la locomotive et le « tender ».
- Deux wagons de marchandises.
- Un circuit fermé de rails constitué de deux demi-circonférences (diamètre 130cm) et deux longueurs droites (1m), sans alimentation électrique.
- Un boîtier de télécommande permettant de manœuvrer la maquette (marche avant, marche arrière).
Installation du matériel
Le plateau supportant le circuit de rails a pour dimension : longueur
250cm, largeur 140cm et épaisseur 1cm (médium). Pour faciliter son transport, il est constitué de dix plaques de 70x50cm.
Pour une bonne visibilité du jeune public, il est placé à 60cm de hauteur.
Il est supporté par un ensemble démontable de liteaux de 4x4cm montés sur quatre tréteaux.
Quatre liteaux de 140cm sont sanglés sur les tréteaux de façon à recevoir la largeur du circuit. Ils supportent 4 rangées de 3 liteaux
longitudinaux de 100cm.
Ce montage est réglé grâce à des tourillons amovibles, chaque pièce
étant repérée.
Afin de rendre bien uniforme la surface du plateau, on le recouvre d’une
moquette type pelouse artificielle.
Décor : image de la gare des Sables sur support bois.
Poster : Train hydrogène Alstom Coradia.
ANNEXE
Description générale de la maquette
Maquette
La maquette représente une locomotive tractant un « tender » et deux wagons de marchandises.
La locomotive comporte un moteur électrique. En pleine charge, la tension et l’intensité mesurées sont : 10 V et 0,6 A, soit une puissance de 6 W.
Dans le « tender », sont disposés le récepteur de la télécommande et son antenne, le réservoir d’hydrogène et la pile à combustible.
Indépendamment, le boîtier de la télécommande permet d’actionner à distance le moteur par :
– régulation de sa vitesse de rotation par la variation de puissance de la pile à combustible, laquelle commande l’admission d’hydrogène,
– inversion du sens de rotation du moteur pour effectuer la marche avant ou la marche arrière.
Locomotive et « tender » sont reliés par 2 fils électriques (bleu et rouge) enfichables.
Une batterie tampon n’a pas été nécessaire pour cette maquette, la pile à combustible réagissant instantanément aux sollicitations de la télécommande.
Description détaillée de la pile et du réservoir
La pile à combustible fut inventée en 1839 avant le moteur à essence. Sa technologie prend actuellement son envol dans le cadre de la transition énergétique.
Elle est constituée d’un empilement (d’où son nom) de 14 cellules d’une épaisseur unitaire de 6mm délivrant une tension de 0,6 à 1 Volt. Elle a pour dimensions hors tout :
– profondeur =103 mm, largeur = 100 mm, hauteur = 93 mm
– poids = 1,4 kg.
En complément de l’empilement de 14 cellules, elle comporte :
– un régulateur de pression,
– un convertisseur de courant continu de 12 volts, adapté à la plage de tension de 8,4 à 14 volts de la pile (il n’est pas utilisé dans notre cas, le moteur étant branché directement à la pile).
Sa puissance varie de 0 à 56 W selon le débit d’hydrogène. La réponse à la télécommande est rapide et souple.
Le réservoir (diamètre 30 mm, longueur 135 mm, poids 470 g) contient un mélange de poudres métalliques ayant la capacité de former des hydrures avec l’hydrogène (résultats de l’agrégation de l’hydrogène par le métal). L’hydrogène piégé chimiquement sous forme de poudre n’est pas stocké sous très haute pression mais à seulement 10 bars sous forme de poudre, ce qui élimine les risques liés au stockage. Le réservoir permet de libérer l’équivalent de 30 litres d’hydrogène à pression atmosphérique ; l’autonomie de fonctionnement de la maquette est de l’ordre de 5 heures.
Fonctionnement de la pile à combustible
Une pile à combustible ne stocke pas l’électricité comme une batterie. Son nom provient de l’empilement de cellules élémentaires. Elle ne s’épuise jamais tant que la réaction chimique est entretenue par alimentation d’hydrogène et d’oxygène. Elle fut inventée en 1839 avant le moteur à essence. Sa technologie prend actuellement son essor dans le cadre de la transition énergétique.
Elle fonctionne sur le principe suivant :
– A l’anode, l’atome d’hydrogène est décomposé en un ion H+ (proton) et un électron sous l’effet d’un catalyseur en mousse de platine qui revêt une membrane. Celle-ci, appelée PEM (Proton Exchange Membrane), autorise le passage des ions et interdit celui des électrons, lesquels sont collectés sur une grille conductrice, créant ainsi un courant électrique. – A la cathode, électrons, ions H+ et oxygène de l’air se combinent pour former de l’eau, seul rejet de la pile.