Voiture à hydrogène : tout savoir maintenant

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Dans l’opinion publique, la pile à combustible est une alternative encore mal connue. Pourtant, les experts promettent un bel avenir à la voiture à hydrogène. Mais qu’est-ce qu’une voiture à hydrogène ? Quels sont ses avantages ? Voyons plutôt.

Le 5 décembre 2019

Moins d’émissions nocives et de bruit : les véhicules électriques sont porteurs de nombreux espoirs. Quand il en va d’électromobilité, la plupart des gens pensent aux véhicules rechargeables sur le réseau électrique et équipés d’une batterie performante. Pourtant, il existe une autre technologie de motorisation que les experts jugent très prometteuse, notamment car elle évite les longues durées de recharge.

Mais avant de parler des avantages et des inconvénients du moteur à hydrogène pour voiture, du fonctionnement de la pile à combustible, ou des coûts et des risques de cette technologie, commençons plutôt par nous intéresser à la façon dont fonctionne une voiture à hydrogène.

1.

Comment fonctionne le moteur à hydrogène pour voiture ?

Une voiture à hydrogène est actionnée par un moteur électrique, c’est pourquoi elle appartient à la catégorie des voitures électriques. L’abréviation courante, en anglais, est FCEV, pour « Fuel Cell Electric Vehicle » (Fuel Cell signifiant pile à combustible). Ce terme la distingue des voitures électriques alimentées par une batterie, les BEV, pour « Battery Electric Vehicle ».

La différence décisive par rapport aux autres véhicules électriques est que le véhicule hydrogène produit lui-même l’électricité dont il a besoin. Il n’utilise donc pas l’énergie fournie par une batterie intégrée, comme les modèles purement électriques ou hybrides plug-in qui peuvent être rechargés à une source d’électricité externe (➜ lisez également : Hybride rechargeable et autres voitures électriques). Une voiture à hydrogène transporte en quelque sorte sa propre centrale de production d’électricité efficace à bord. Et cette centrale, c’est la pile à combustible.

Dans la pile à combustible, l’hydrogène réagit avec l’oxygène, produisant de l’énergie électrique. Celle-ci est dirigée vers le moteur électrique et/ou la batterie, en fonction des besoins.

Dans la pile à combustible se déroule un processus appelé électrolyse inversée, au cours duquel l’hydrogène réagit au contact de l’oxygène. L’hydrogène provient d’un ou de plusieurs réservoirs dans le véhicule, l’oxygène de l’air ambiant. Cette réaction provoque uniquement de l’énergie électrique, de la chaleur et de l’eau, évacuée sous forme de vapeur par le pot d’échappement. Une voiture à hydrogène ne produit donc pas d’émissions au niveau local – mais vous en saurez plus à ce sujet plus loin.

L’électricité produite dans la pile à combustible suit deux chemins, indépendamment des besoins du véhicule en train de rouler. Le courant alimente d’une part le moteur électrique et fait avancer directement le véhicule. D’autre part, ou alternativement, il charge une batterie servant de stockage intermédiaire en attendant que cette énergie soit nécessaire pour rouler. Cette batterie de traction est nettement plus petite et donc plus légère que la batterie d’une voiture purement électrique, puisqu’elle est alimentée en continu par la pile à combustible.

Comme d’autres voitures électriques, les véhicules à hydrogène sont en mesure de récupérer l’énergie de freinage. Ce faisant, le moteur électrique transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique et la stocke dans la batterie tampon.

2.

Quels sont les avantages et inconvénients de la voiture à hydrogène pour l’utilisateur ?

Les avantages et les inconvénients d’une technique de moteur peuvent être considérés, pour l’essentiel, sous deux points de vue : celui de l’utilisateur et celui de l’environnement. Si une technologie doit s’imposer à titre d’alternative au moteur à combustion, il faut qu’elle soit particulièrement conviviale et qu’elle réduise sensiblement les émissions de substances nocives. Nous vous expliquons tout d’abord les avantages et inconvénients principaux pour les conducteurs ou propriétaires d’une voiture à hydrogène. Nous avons pour cela fait appel à Axel Rücker, Program Manager Hydrogen Fuel Cell du BMW Group.

Avantages pour l’utilisateur :

  • Une voiture à hydrogène est alimentée à l’électricité, et rien d’autre. La sensation de conduite est donc la même qu’avec une voiture électrique : pratiquement aucun bruit de moteur et un démarrage impulsif, le couple des moteurs électriques étant pleinement disponible même à bas régime.
  • La durée de chargement est un autre avantage : suivant la station de charge et la capacité de la batterie, les véhicules entièrement électriques ont actuellement besoin de 30 minutes à plusieurs heures pour une charge complète. Le réservoir à hydrogène d’une voiture à hydrogène en revanche est plein en moins de cinq minutes. Dans ces conditions, la disponibiilité et la flexibilité du véhicule sont, pour le client, du même niveau que celles d’une voiture conventionnelle.
  • Un avantage encore valable actuellement vis-à-vis d’une voiture purement électrique est la plus grande autonomie de la voiture à hydrogène. Un réservoir d’hydrogène plein suffit pour environ 500 kilomètres. Cette valeur n‘est réalisée que par les voitures alimentées par une très grosse batterie, ce qui accroît le poids du véhicule et la durée de charge.
  • L’autonomie des véhicules à hydrogène ne dépend pas de la température extérieure et n’est donc pas entravée en hiver.

Désavantage actuel pour l’utilisateur :

Le grand défaut de la voiture à hydrogène pour le moment réside dans les rares possibilités de faire le plein. L’hydrogène est livré à des pompes spéciales, que l’on trouvera à l’avenir dans les stations-service normales. Actuellement, les stations d’hydrogène sont très peu nombreuses. En France, on compte actuellement près de 130 stations d’hydrogène, contre près de 80 environ en Allemagne à fin 2019 ou une quarantaine aux États-Unis. À titre de comparaison : le réseau de bornes de chargement pour véhicules électriques est déjà nettement plus dense. Début 2019, la France en comptait près de 25 000 sur son territoire.

« S’agissant de moteur à hydrogène, nous sommes face à un problème du type poule et œuf », explique Axel Rücker, l’expert de BMW. « Tant que le réseau de stations d’hydrogène sera si maigre, la faible demande de la part des clients ne permettra pas une production de série rentable de véhicules équipés d’une pile à combustible. Et tant que sur les routes, la voiture à hydrogène sera aussi rare que le loup blanc, les exploitants ne seront pas pressés de développer leur réseau de pompes. » Pour l’instant, seules les grandes entreprises énergétiques et coopérations dans le secteur automobile s’engagent dans ce domaine.

Pour faire avancer le développement de l’infrastructure, du moins en Allemagne, des fabricants d’automobiles tels que BMW se sont associés à des producteurs d’hydrogène et à des exploitants de stations-service au sein de l’initiative Clean Energy Partnership. Celle-ci a pour objectif de développer le réseau à 130 stations d’ici 2022, ce qui permettrait de faire rouler quelque 60 000 voitures à hydrogène sur les routes allemandes. La prochaine étape visée est de passer à 400 stations d’ici 2025 et de voir augmenter le parc de véhicules en conséquence. Dans d’autres pays également, le nombre de stations-service doit également augmenter afin de permettre les voyages avec les voitures à hydrogène, explique encore Rücker.

3.

Combien coûte un véhicule hydrogène et pourquoi ?

Outre le réseau clairsemé de stations-service, un autre facteur influence la demande timide en matière de voiture à hydrogène : ce type de véhicule est relativement cher à l’achat. Les rares modèles à pile à combustible de classe moyenne à moyenne supérieure déjà disponibles sur le marché coûtent près de 70 000 euros. C’est presque le double d’une voiture purement électrique ou hybride comparable.

Ce prix encore élevé est dû à différents facteurs. Outre le faible nombre de véhicules produits et l’absence d’industrialisation de la production, la quantité de platine nécessaire joue également un rôle. Ce métal noble sert de catalyseur lors de la production d’électricité. La quantité de platine nécessaire pour produire une pile à combustible a déjà pu être fortement diminuée. « L’objectif général est d’abaisser le prix de la voiture à hydrogène à un niveau similaire à celui des autres voitures électriques », expose Axel Rücker.

Une autre raison du prix élevé d’une voiture à hydrogène est sa taille : comme le ou les réservoirs d’hydrogène prennent beaucoup de place, le véhicule est forcément volumineux. Un moteur purement électrique avec batterie peut en revanche parfaitement se glisser sous la carrosserie d’une petite voiture. C’est la raison pour laquelle les voitures électriques classiques sont disponibles dans tous les segments.

Outre les coûts d’acquisition du véhicule, il faut également prendre en compte ses coûts d'exploitation, qui jouent eux aussi un rôle important en matière de rentabilité et d’acceptation d’une technologie de motorisation. Dans le cas d’une voiture à hydrogène, ceux-ci dépendent notamment du prix du carburant. Actuellement, un kilo d’hydrogène coûte près de 10 euros en France, 9,5 euros en Allemagne (un prix sur lequel les partenaires de H2 Mobility se sont entendus) et environ 14 dollars aux USA. Un kilo d’hydrogène permet à une voiture de rouler sur une centaine de kilomètres.

Ainsi, les  coûts au kilomètre d’une voiture à hydrogène sont donc actuellement près de deux fois plus élevés que ceux d’un véhicule électrique chargé à domicile. Axel Rücker estime que ces frais vont s’égaliser : « Si la demande d’hydrogène augmente, le prix au kilo devrait baisser à environ 5 euros d’ici 2030. »

4.

Dans quelle mesure le véhicule hydrogène est-il écologique et durable ?

L’idéal écologique serait une voiture qui ne roule qu’avec des énergies renouvelables sans produire d’émissions nocives. Voyons d’un peu plus près comment le véhicule hydrogène s’approche de cet objectif et comparons-le à d’autres types de motorisation :

  • Les moteurs alternatifs doivent réduire les émissions de substances nocives, en particulier de gaz nuisibles pour le climat comme le CO2, mais également celles de gaz dangereux pour la santé comme les oxydes de carbone. Les rejets d’une voiture à hydrogène sont uniquement composés de vapeur d’eau. Le moteur à pile à combustible ne provoque donc aucune émission au niveau local et ne pollue pas l’air des villes. Mais ménage-t-il également le climat ?

  • Cet aspect dépend des conditions dans lesquelles se déroule la production d’hydrogène. Pour obtenir de l’hydrogène en effet, de l’énergie électrique est nécessaire. Durant le processus d’électrolyse, le courant sépare les molécules d’hydrogène et d’oxygène qui composent l’eau. Si le courant utilisé provient d’énergies renouvelables, le bilan climatique de la production d’hydrogène est neutre. En revanche, si ce courant a été obtenu à partir de combustibles fossiles, le bilan climatique de la voiture à hydrogène sera négatif. L’importance de cet effet dépend du mélange électrique utilisé. Sur ce plan, la voiture à hydrogène ne se différencie donc pas des autres véhicules électriques.

  • Un inconvénient de la fabrication d’hydrogène sont les pertes lors de l’électrolyse. Le rendement total dans la chaîne énergétique « Électricité en énergie cynétique du véhicule » n’est donc que de la moitié de celui d’un BEV.

  • Cependant, l’hydrogène peut être produit lorsque l’électricité à base de sources d’énergie renouvelables est surabondante, l’énergie éolienne ou solaire produite actuellement ne pouvant pas être utilisée autrement. Le potentiel en la matière est immense.
  • L’hydrogène est aussi un sous-produit de nombreux processus industriels et il arrive trop souvent qu’il soit considéré comme un déchet et qu’il ne soit pas récupéré. Les moteurs à pile à combustion présentent une possibilité d’upcycling de l’hydrogène. Pour que cela soit possible, le gaz doit d’abord être nettoyé.

  • Le bilan énergétique du véhicule hydrogène tient également compte du transport et du stockage de l’hydrogène. Suivant la technologie de transport utilisée (liquide ou gazeux), l’effort nécessaire pour la compression, le refroidissement, le transport et le stockage varie. La tendance est à l’hydrogène liquide, plus facile à transporter et à stocker. Néanmoins, le transport et le stockage de l’hydrogène sont nettement plus compliqués et nécessitent donc plus d’énergie que l’essence ou le diesel – pour le moment faut-il préciser. Car contrairement aux combustibles fossiles, l’hydrogène peut être produit partout où du courant et de l’eau sont disponibles, théoriquement donc juste à côté des stations-service. Une infrastructure davantage développée pourrait donc réduire nettement les distances de transport.

Conclusion : le moteur à hydrogène pour voiture a le potentiel de rendre possible une mobilité écologique et durable. Pour l’expert de BMW Axel Rücker, les conditions sont toutefois l’utilisation d’énergies renouvelables lors de la production d'hydrogène et le développement de l’infrastructure technique, afin de raccourcir les distances sur lesquelles le produit est transporté.

Les véhicules électriques ne contribuent véritablement à la protection du climat que lorsque toute la chaîne de création de valeur est durable.
Oliver Zipse

Président du directoire de BMW AG

5.

Quels sont les risques du moteur à hydrogène pour voiture ?

Que se passe-t-il quand de l’hydrogène réagit de manière incontrôlée avec de l’oxygène ? Beaucoup d’entre nous se souviennent encore des cours de chimie : la réaction provoque une explosion. L’hydrogène est donc inflammable. Néanmoins, une réaction incontrôlée de l’hydrogène et de l’oxygène dans une pile à combustible est pratiquement exclue.

En effet, dans le véhicule, l’hydrogène est stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs dotés de parois épaisses, particulièrement sûres. Comme le souligne Axel Rücker, de nombreux crash tests ont confirmé cette construction : les réservoirs n’ont pas été endommagés et l’hydrogène n’a pas pu s’en échapper.

N’oublions pas également que la technologie de l’hydrogène n’est pas nouvelle, mais qu’elle a fait ses preuves depuis longtemps dans de nombreux domaines. Ainsi, les raffineries utilisent d’ores et déjà de grandes quantités d’hydrogène pour leurs processus de traitement du pétrole brut. Des pipelines et des réservoirs d’hydrogène sont également exploités depuis de nombreuses années.

Des crash tests ont montré que les réservoirs d’hydrogènes n’étaient pas endommagés en cas de collision et donc que l’hydrogène ne s’en échappait pas dans pareil cas de figure.
Axel Rücker

Program Manager Hydrogen Fuel Cell du BMW Group

6.

Quel rôle jouera le moteur à hydrogène à l’avenir ?

Chez BMW, on est convaincu que l’hydrogène peut apporter une contribution importante à la mobilité durable à l’avenir en complément des véhicules équipés de batteries. La condition est néanmoins que l’infrastructure nécessaire à la distribution d’hydrogène soit disponible et que le prix de l’hydrogène comme celui des véhicules baisse. Dans pareil cas, les véhicules roulant à l’hydrogène pourront devenir la technologie ne produisant pas d’émissions qui permet à ses utilisateurs de conserver leurs habitudes en matière de conduite flexible.

L’Hydrogen Council, l’initiative mondiale des membres d’entreprises leaders en matière d’énergie, de transport et d’industrie, sont du même avis. Pour l’avenir, l’Hydrogen Council ne voit pas seulement l’hydrogène comme combustible durable pour les véhicules, mais également comme agent énergétique propre fournissant chaleur et électricité, notamment pour l’industrie.

Le client a le choix

Chaque automobiliste a des besoins et des souhaits différents concernant sa mobilité. Oliver Zipse, président du directoire de BMW AG, l’exprime ainsi : « Pour nous, la question essentielle est de savoir quel moteur et quelles technologies seront souhaités par nos clients à l’avenir. Et comment obtenir le meilleur résultat pour la protection du climat ». C’est pourquoi BMW misera, à l’avenir également, sur différents concepts de motorisation : le moteur à combustion classique, les véhicules entièrement électriques et les hybrides plug-in, sans oublier les efforts renforcés dans la recherche en matière de voiture à hydrogène.

Illustration : Cyprian Lothringer ; Vidéo : Benjamin Roth ; Auteure : Nils Arnold

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