L’hydrogène : 100 000 images par seconde pour comprendre son comportement

L’hydrogène est souvent cité comme une solution majeure dans la transition des systèmes de combustion fossile. La recherche sur l’hydrogène n’en est encore qu’à ses débuts. Aussi, une équipe de chercheurs suédois a réussi à filmer l’injection de carburant à l’hydrogène grâce à des mesures optiques avancées, une première dans le domaine des mesures de jets de gaz.

Une technologie naissante

« C’est très excitant de faire partie de cette transition. Nous entrons dans une nouvelle technologie où nous devons tout apprendre à partir de zéro », déclare Mats Andersson Professeur associé au Département de Mécanique et des Sciences Maritimes de l’Université de Chalmers en Suède.

Comme l’électricité, l’hydrogène peut être utilisé pour transporter, stocker et fournir de l’énergie. Il a un grand potentiel en tant que vecteur d’énergie dans un système d’énergie renouvelable où il est produit à partir de sources telles que le soleil, le vent ou l’eau.

Les défis de la recherche sur l’hydrogène

La recherche sur l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie en est encore à un stade très préliminaire. À Chalmers, la recherche sur l’hydrogène a commencé il y a environ deux ans, lors du premier test d’un moteur.

Mats Andersson, professeur associé au Département de Mécanique et des Sciences Maritimes, a de nombreuses années d’expérience dans la recherche sur la combustion et a été impliqué depuis le début de la recherche sur l’hydrogène à Chalmers. « Nous avons eu le nez pour ce qui se passait, les gens ici dans le département ont vu cette chose avec l’hydrogène venir », dit-il. « Nous avons investi tôt et avons reçu le soutien du département pour construire l’infrastructure d’hydrogène dans notre laboratoire. »

Construire une infrastructure

Avec ses collègues, il a mené un travail intensif pour construire une infrastructure capable de réaliser des mesures de pulvérisation d’hydrogène. « Nous avons travaillé pendant plus d’un an pour mettre en place ce système de gaz d’hydrogène dans le laboratoire de pulvérisation, et maintenant nous avons tout en place et nous l’avons fait fonctionner », ajoute le Professeur Andersson.

Ce qu’ils ont réussi à faire, c’est d’utiliser des mesures optiques avancées pour filmer l’injection de carburant à l’hydrogène et voir comment le gaz d’hydrogène se propage à l’intérieur d’une chambre.

Les défis de travailler avec l’hydrogène

Travailler avec l’hydrogène implique un certain nombre de défis différents. L’hydrogène est extrêmement explosif et inflammable, donc la sécurité autour des expériences est rigoureuse. L’hydrogène est également invisible, ce qui rend difficile le travail avec des mesures optiques. Dans les expériences, les chercheurs envoient donc de la lumière parallèle dans la chambre d’instrument pressurisée où a lieu l’injection d’hydrogène.

100 000 images par seconde

« La lumière parallèle est focalisée sur une lame de rasoir, et nous filmons une partie de celle-ci avec une caméra vidéo qui prend 100 000 images par seconde. Lorsque l’hydrogène est injecté, un effet de mirage se produit, comme lorsqu’il fait chaud à l’extérieur ou lorsque vous vous tenez derrière un moteur – cela vibre dans l’air », explique encore M. Andersson.

De cette façon, les chercheurs peuvent voir comment le gaz d’hydrogène se propage dans la chambre d’instrument.

Utiliser un laser pour allumer

« Lorsque nous en saurons plus sur ce à quoi ressemble l’injection, nous essaierons également de l’allumer. Dans un moteur, par exemple, vous utilisez des bougies pour cela, mais nous utilisons un laser qui crée une étincelle. Nous pouvons déplacer cette étincelle à différents endroits à l’intérieur de la chambre, et voir où elle s’allume et comment elle brûle bien. »

En synthèse

Mats Andersson estime qu’aujourd’hui, c’est l’intérêt pour l’hydrogène qui maintient la recherche sur les moteurs à combustion – lorsqu’il est à des conférences, les conférences sont bondées quand il s’agit de recherche sur l’hydrogène – et que Chalmers est maintenant sur la ligne de départ pour commencer à faire de la recherche de pointe dans le domaine.

« Ce que nous faisons, c’est de combiner la recherche fondamentale et la recherche appliquée », dit-il. « Nous avons des optiques avancées et des configurations laser, du matériel qui a été construit sur 20 ans pour notre recherche sur la pulvérisation et que nous convertissons maintenant pour regarder le gaz d’hydrogène. Et nous avons des ingénieurs talentueux qui maintiennent cela en marche, car c’est un projet massif. Nous pouvons également modifier notre équipement, comme les buses et les chambres, et obtenir l’accès à des injecteurs d’hydrogène avancés en utilisant les contacts que nous avons avec le monde des affaires. »

Il croit que nous serons en mesure de voir des véhicules prototypes alimentés par l’hydrogène sur la route dans quelques années. Après cela, il reste à voir quand cela deviendra commercial.

« Il faut une production d’hydrogène, des réseaux de distribution, et bien sûr des véhicules qui peuvent l’utiliser – c’est une situation de ‘l’œuf ou la poule’. Notre pièce du puzzle à Chalmers est de s’assurer que l’industrie suédoise peut fournir des véhicules compétitifs pour ces applications, et via nos collaborations d’entreprise étroites autour de l’hydrogène, nous apportons des connaissances qui vont directement dans le développement de produits de nos partenaires. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’hydrogène et comment peut-il être utilisé comme source d’énergie ?

L’hydrogène est un élément chimique qui peut être utilisé pour transporter, stocker et fournir de l’énergie. Il a un grand potentiel en tant que vecteur d’énergie dans un système d’énergie renouvelable où il est produit à partir de sources telles que le soleil, le vent ou l’eau.

Quels sont les défis de la recherche sur l’hydrogène ?

La recherche sur l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie en est encore à un stade très préliminaire. De plus, travailler avec l’hydrogène implique un certain nombre de défis différents. L’hydrogène est extrêmement explosif et inflammable, donc la sécurité autour des expériences est rigoureuse. L’hydrogène est également invisible, ce qui rend difficile le travail avec des mesures optiques.

Comment les chercheurs ont-ils réussi à filmer l’injection de carburant à l’hydrogène ?

Les chercheurs ont utilisé des mesures optiques avancées pour filmer l’injection de carburant à l’hydrogène et voir comment le gaz d’hydrogène se propage à l’intérieur d’une chambre. Ils ont travaillé pendant plus d’un an pour mettre en place ce système de gaz d’hydrogène dans le laboratoire de pulvérisation.

Quels sont les prochains pas dans la recherche sur l’hydrogène ?

Une fois qu’ils auront plus d’informations sur l’injection d’hydrogène, les chercheurs essaieront de l’allumer. Ils utiliseront un laser qui crée une étincelle pour cela. Ils peuvent déplacer cette étincelle à différents endroits à l’intérieur de la chambre, et voir où elle s’allume et comment elle brûle bien.

Quand verrons-nous des véhicules alimentés par l’hydrogène sur la route ?

Mats Andersson, professeur associé au Département de Mécanique et des Sciences Maritimes à Chalmers, croit que nous serons en mesure de voir des véhicules prototypes alimentés par l’hydrogène sur la route dans quelques années. Cependant, il reste à voir quand cela deviendra commercial.

Principaux enseignements

Références

Article adapté du contenu de l’auteur : Robert Karlsson