Formule 1 à hydrogène

[Omyxh]

Bonjour à vous,

Je suis actuellement dans la préparation de mon grand oral, et je cherche à savoir s'il est techniquement possible de créer une voiture de formule 1 fonctionnant à l'hydrogène. Cependant, à la suite de mes calculs, je me retrouve avec un poids très léger si on le compare avec les voitures à hydrogène actuelles.
Certes, je fais de nombreuses approximations car je n'ai que 5 minutes, mais le résultat me semble vraiment loin de la réalité...

Est-ce que vous pourriez m'aider à trouver l'erreur ou alors m'indiquer si tout est correct ?

Merci beaucoup pour l'aide que vous apportez !
Ci-joint, un extrait de la transcription de mon grand oral

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Vu qu’un moteur prévu pour une telle compétition n’existe pas encore, on va prendre le moteur de la voiture Lucid Air en exemple, qui atteint 1080 chevaux pour 20000 rpm, soit une puissance d’environ 800kW.

Le bloc moteur tourne avec 900V, ce qui nécessite donc une intensité de 900 A environ

On sait que la charge électrique correspond à l’intensité multiplié par le temps. On veut que notre voiture tourne pendant au moins 100 minutes à pleine puissance, le temps moyen d’une course, soit 6000 secondes. On trouve donc une charge électrique de 5,4 millions de coulombs nécessaires au fonctionnement de notre voiture. À l’aide de la constante de Faraday (, qui vaut 96 485 C/mol), on trouve qu’il nous faut donc le passage de 56 moles d’électrons dans notre circuit.

Chaque atome de dihydrogène consommé libère 2 électrons, il nous faut donc 28 moles de dihydrogène pour notre moteur.

Le dihydrogène ayant une masse molaire de 2,016 g/mol, il nous faut donc 56g de dihydrogène. 56g seulement ???

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[Gwinver]

Bonsoir.

On sait que la charge électrique correspond à l’intensité multiplié par le temps.

Il s'agit de la charge délivrée par une cellule de la pile à combustible.
Il faut atteindre 900 V, donc un grand nombre de cellules en série (plus de 1000), toutes parcourues par le même courant.

[moco]

Oui. Mais 28 moles de d'hydrogène ne pèsent presque rien. Mais ces 28 moles occupent un volume énorme. Si on prend le gaz à 1 bar et 25°C, 1 mole occupe un volume de 24.7 litres. Donc 28 moles occupent un volume de 693 litres, donc presque un mètre cube. Est-ce qu'une voiture de formule 1 est assez volumineuse pour contenir un réservoir de 693 litres ? Il n'y aurait peut-être plus de place pour le conducteur et le moteur proprement dit.
Et si on veut consommer ce gaz en 1.5 heure, la pile à combustible devrait être absolument énorme. En effet, une telle pile à hydrogène produit un courant de l'ordre de 0.1 à 0.2 A/dm². Pour arriver à 900 A, il faudrait une surface d'électrode de 5 à 9 m². Voilà qui serait encore plus encombrant.
Ou alors on utilise de l'hydrogène comprimé dans une bonbonne. Mais ces bonbonnes sont vraiment très lourdes. Le problème n'est pas près d'été résolu.

[chimhet]

Bonjour,
Autre voie . La plus envisageable et donc à citer pour éviter les remarques.
le moteur thermique à hydrogène. Beaucoup plus performant que la voie électrique et aussi moins polluant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Omyxh]

Merci à vous tous pour vos réponses extrêmement intéressantes !!!

[champetre]

Bonjour,

La solution existe, d'une simplicité extraordinaire : ne plus faire ces courses qui ne servent plus à rien !

Elles ont pourtant été utiles, ayant permis de développer de nombreuses solutions utilisées couramment sur nos voitures, mais depuis plusieurs années la seule recherche que la F1 faisait était de d'augmenter le rendement, car le règlement imposait une quantité maximum de carburant embarquée, et interdisait le ravitaillement pendant la course.

MAIS les nouveaux propriétaires de la franchise ont levé cette limite, donc ...

Et bien entendu sans oublier qu'il faut se résoudre à abandonner les moteurs thermiques ...

Bien évidemment, ça vaut pour tous les sports utilisant cette technologie.

Je suis parfaitement conscient du fait que tout ne pas passer aux énergies renouvelables d'un coup, mais faisons au moins l'effort d'arrêter ce qui n'est pas indispensable, et toutes ces courses sont dans ce cas.

[Gwinver]

Bonjour.

En complément des éléments de réponse donnés à la question posée par Omyxh, voici un document avec des indications utiles: https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00252461/document

Rendement énergitique de l'ordre de 58% (page 8)

Tableau II : H2 seul 32.8 kWh/Kg , H2 en bouteille : 0.42 kWh/Kg, essence 10.5 kWh/Kg

Pour la formule 1, le poids d'H2 à embarquer serait d'environ 1/3 de celui de l'essence.

[titijoy3]

Bonjour,

La solution existe, d'une simplicité extraordinaire : ne plus faire ces courses qui ne servent plus à rien !

Elles ont pourtant été utiles, ayant permis de développer de nombreuses solutions utilisées couramment sur nos voitures, mais depuis plusieurs années la seule recherche que la F1 faisait était de d'augmenter le rendement, car le règlement imposait une quantité maximum de carburant embarquée, et interdisait le ravitaillement pendant la course.

MAIS les nouveaux propriétaires de la franchise ont levé cette limite, donc ...

Et bien entendu sans oublier qu'il faut se résoudre à abandonner les moteurs thermiques ...

Bien évidemment, ça vaut pour tous les sports utilisant cette technologie.

Je suis parfaitement conscient du fait que tout ne pas passer aux énergies renouvelables d'un coup, mais faisons au moins l'effort d'arrêter ce qui n'est pas indispensable, et toutes ces courses sont dans ce cas.

si on arrête les courses automobiles il faut aussi arrêter les jeux olympiques à l'autre bout du monde ou bien y aller à la voile au lieu de prendre l'avion..

les départs en week end prolongé aussi qui font que les péages sont saturés dès 14 heures..

etc..

[Omyxh]

Si j'ai bien compris votre réponse, si je prend par exemple 0,6V de tension, pour chacune des cellules (Car cela permet la meilleure densité en puissance, cf https://www.researchgate.net/figure/...fig3_258379846), il faudrait donc une intensité de 1,3 * 10⁶ A pour atteindre 800kW ? Si je refais mes calculs, je tombe sur environ 83t de dihydrogène. Autant, avec mes 56g, je trouvais ça assez petit, autant là, je trouve ça un peu trop grand... Est-ce que ce résultat est normal et montre l'impossibilité de réaliser une F1 à base d'hydrogène ou est-ce qu'il y a encore une erreur ?

Pour le reste, je ne cherche ni à critiquer ni à approuver la F1, mon objectif étant purement orienté sur les sciences et non l'environnement ou la politique, bien qu'ils soient très importants

[Omyxh]

A défaut, je peux conclure sur l'impossibilité à cause de la surface nécessaire, mais j'aimerai au moins parler un petit peu de la quantité d'hydrogène nécessaire... Donc je cherche ma très probable erreur

[Omyxh]

Pour être tout à fait honnête, j'ai juste l'impression que le moteur n'est pas du tout approprié à ce que je cherche à démontrer...

[titijoy3]

Gwinver a donné une réponse détaillé, l'hydrogène à masse égale fourni environ trois fois plus d'énergie que l'essence => en terme de masse il faut trois fois moins d'hydrogène que d'essence pour la même quantité d'énergie..

pour le volume embarqué c'est autre chose, surtout s'il s'agit d'hydrogène gazeux !

[gts2]

Si j'ai bien compris votre réponse, si je prend par exemple 0,6V de tension, pour chacune des cellules, il faudrait donc une intensité de 1,3 * 10⁶ A pour atteindre 800kW ?

Non, c'est un peu trop beaucoup (sic), par contre il vous faut 900/0,6=1500 comme déjà indiqué par Gwinver dans le message #2 et donc si vos calculs initiaux sont justes : 56*1500=84 kg.

Si je refais mes calculs, je tombe sur environ 83t de dihydrogène. je trouve ça un peu trop grand...

Je trouve 1000 fois moins ? A voir.

[Omyxh]

Effectivement, j'ai transformé 2,016g/mol en 2,016kg/mol, soit un facteur 1000 en trop... Merci beaucoup !!!

[Gwinver]

Bonjour.

Il faut aussi relativiser.
Une voiture de formule 1 ne donne pas en permanence toute sa puissance, cela n'arrive qu'en ligne droite hors freinages.
Au freinage, la puissance tombe quasiment à zéro, et la puissance doit être contrpolée en virage.
Il vaudrait mieux se baser sur une consommation.
D'après ce site : https://www.redbull.com/fr-fr/f1-que...e%20règlement.
la consommation est d'environ 45 l/100 km.
Un litre d'essence pèse environ 0.75 kg, le poids est donc de : 33.75 kg au 100, il reste à calculer pour une course de 100 minutes.
Un grand prix ne doit pas dépasser 2 heures et dure environ 300 km (toujours d'après le même site).
Sur une course, l'énergie consommée en essence vaut donc : 33.75 x 3 x 10.5 = 1063 kWh.
Attention, il faut vérifier s'il s'agit de l'énergie que peut fournir l'essence ou de l'énergie effectivement forunie par le moteur qui a un rendement bien inférieur à 1 (à priori, c'est l'énergie contenue dans l'essence et non pas celle fournie par le moteur).
Le rendement d'un moteur électrique est proche de 90% (voire mieux) de la batterie aux roues.

Comme il s'agit d'un grand oral, le but est de montrer que l'on est capable de faire une étude, il est donc important de se baser sur des références pour les données de base utilisées, car en charchant bien on rouvera toujours d'autres chiffres pour les même paramètres.