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L'hydrogène utilisé comme carburant présente, à l'évidence, deux avantages majeurs : il peut être produit à partir de n'importe quelle source d'énergie et n'émet pas ou peu de polluants lors de son utilisation. L'idée n'est pas nouvelle, mais sa mise en œuvre dans le secteur des transports se heurte à de nombreux verrous scientifiques et technologiques, et surtout économiques, qui sont autant d'obstacles à une diffusion de masse notamment sur le marché de l'automobile. La recherche est aujourd'hui très active pour trouver des solutions efficientes et pertinentes vis-à-vis des approches batteries seules. Mais le déploiement généralisé de cette solution est envisagé à long terme.

 

 

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Le carburant hydrogène 

L'hydrogène pur existant peu à l'état naturel (il est majoritairement combiné à l'oxygène dans l'eau ou avec du carbone dans les hydrocarbures), il faut une source d'énergie pour, en quelque sorte, l'extraire. Le bilan environnemental d'une filière hydrogène dépend en grande partie de la source d'énergie utilisée

Aujourd'hui, 95 % de l'hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures (pétrole, gaz naturel et charbon). Cependant, ce processus est émetteur de CO2, gaz à effet de serre. Les industriels envisagent de plus en plus de produire l’hydrogène via l’électrolyse en recourant à des énergies décarbonées. L’enjeu reste toutefois le coût de ce mode de production bien plus onéreux à ce jour que celui du reformage du gaz naturel, technique la plus répandue.

Hydrogène et moteur à combustion interne 

Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène en font un bon candidat pour une utilisation dans un moteur à allumage commandé de type « essence ». Le principal avantage réside dans le bilan environnemental : combiné à l'oxygène, la combustion de l'hydrogène produit essentiellement de l'eau et de la chaleur et ne rejette que des oxydes d'azote (NOx). Cependant cette solution nécessite des adaptations spécifiques pour obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx. Il faut notamment exploiter différentes propriétés de l’hydrogène comme sa capacité à brûler rapidement en mélange très pauvre.

L'utilisation de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne peut bénéficier des dernières avancées du moteur thermique et du couplage avec une chaîne de traction hybride. Ainsi en se basant sur des technologies plus robustes et matures que celles utilisées actuellement pour les piles à combustible, il serait possible d’atteindre un rendement supérieur à 50 %. Ce pourrait être une solution de transition vers la pile à combustible puisqu'elle permet de commencer la validation de toute la filière de production et de distribution de l’hydrogène en utilisant les outils industriels de production existants

Hydrogène et pile à combustible 

Pour le long terme, les constructeurs automobiles s’intéressent aussi aux piles à combustible (ou Fuel Cell), comme générateurs d’électricité pour les véhicules électriques. Ceci afin de compléter les solutions de véhicules électriques à batteries, souffrant aujourd’hui de la limitation en autonomie et du temps de recharge de ces batteries. L'hydrogène sert alors à alimenter une pile à combustible - laquelle produit de l'électricité - pour permettre le fonctionnement du moteur électrique qui fera avancer le véhicule. L'hydrogène est un des meilleurs vecteurs d'énergie pour les piles à combustible aujourd’hui en termes de performances énergétiques et d’émissions. Leur rendement est globalement supérieur à 50% sur une large plage de fonctionnement, ce qui représente un avantage intéressant par rapport à un moteur thermique essence actuel. 

Alimentée par un mélange d'air et d'hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l'électrolyse. En faisant réagir de l'hydrogène avec de l'oxygène de l'air sur les électrodes (de fines membranes recouvertes d'un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l'électricité sans autre émission que de la vapeur d'eau. Le principe date de 1839 ! Il est utilisé depuis longtemps pour produire de l'électricité à bord des fusées.

Les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC) sont les mieux adaptées au domaine du transport. C'est sur ce type de pile que les constructeurs automobiles concentrent l'essentiel de leurs recherches.

Les défis économiques et technologiques 

Avant de pouvoir envisager une voiture à hydrogène pour une diffusion de masse, les chercheurs vont devoir lever de nombreux verrous technico-économiques pour rendre cette solution (production, distribution et utilisation embarquée de l’hydrogène) efficiente et sûre sur l’ensemble de la chaîne.

 

  • Des développements et des investissements seront nécessaires pour transporter et stocker ce carburant à bord des véhicules et s'assurer que les conditions de sécurité sont garanties.
  • L'utilisation de l'hydrogène nécessitera la mise en place de toute une infrastructure nouvelle de production, de transport et de distribution. Les coûts de production, et surtout les coûts de stockage et de distribution de ce gaz, particulièrement volatile et difficile à "contenir", sont encore très élevés. 
  • Les coûts de la filière hydrogène sont aujourd'hui beaucoup plus élevés que pour les carburants pétroliers. En 2019, il faut compter de l’ordre de 8 à 9 € pour produire par électrolyse de l’eau et distribuer un kilogramme d’hydrogène (sans les taxes). Une cible à moins de 2 à 3€ par kg à l’horizon 2050 est espérée mais ne sera sans doute pas simple à atteindre.
    Le prix de revient de la pile à combustible, en y incluant le réservoir de stockage sous haute pression à bord du véhicule, est également très élevé : même en grande série, le coût visé en 2030-2040 sera encore de 3 à 5 fois supérieur à celui d’un moteur conventionnel. Le remplacement de matériaux tels que le platine dont les ressources sont aujourd’hui très limitées constituera là encore un des défis à relever.

La problématique du stockage à bord 

L'hydrogène est un gaz très léger et pour obtenir la même quantité d'énergie qu'un carburant conventionnel liquide, il faut le comprimer fortement pour en limiter le volume. Ceci constitue un problème pour son stockage et son transport.

Le stockage de l'hydrogène embarqué dans les véhicules équipés d’une pile à combustible commercialisés en 2019 est ainsi essentiellement réalisé sous forme comprimée à 700 bar pour les véhicules particuliers, ou à 350 bar pour les poids lourds ou les bus.

Les véhicules particuliers équipés d’une pile à combustible, commercialisés en 2019, ont une autonomie de l’ordre de 500 à 600 kilomètres, obtenue grâce à un réservoir contenant environ 5 kg d'hydrogène (il faut compter 30 kg d’hydrogène pour une autonomie de 300 kilomètres environ pour un bus).

Perspectives du véhicule à hydrogène et pile à combustible

Avec l'urgente nécessité de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre, l'hydrogène représente une voie complémentaire dans l'électrification des véhicules en parallèle de l’approche biocarburants. Mais c'est une alternative qui demandera du temps, des progrès technologiques et des investissements importants afin d'atteindre des niveaux de coûts compatibles avec une diffusion sur des marchés de masse.

Les constructeurs tablent sur une échéance d'au moins 20 à 30 ans pour que ces véhicules atteignent une part de marché significative pour les véhicules particuliers, avec peut être un déploiement plus rapide dans le domaine du transport de fret, routier ou non. D'ici là, et probablement au-delà, le moteur thermique restera le mode de motorisation dominant tandis que les véhicules hybrides et électriques auront commencé à prendre une part de marché significative.