Hydrogéne : Avantages & Inconvénients

Avec l’arrivée commerciale des premiers véhicules alimentés à l’hydrogène, de nombreux enjeux économiques et technologiques apparaissent. 


L’hydrogène, ou dihydrogène (H2), utilisé comme source d’énergie pour le transport peut sembler encore une idée farfelue pour le commun des mortels, mais l’annonce de Nexo, la prochaine génération de véhicules électriques alimentés à l’hydrogène, par le constructeur coréen Hyundai lors de l’édition 2018 du Consumer Electronic Show (CES), qui s’est déroulé du 9 au 12 janvier à LasVegas (états-Unis), et lamise en service des premiers vélos électriques à hydrogène en France, à Cherbourg et Saint-Lô, le 11 décembre dernier par la PME biarrote Pragma Industries, montrent bien l’essor de ce nouveau vecteur d’énergie.

Comme l’électricité, l’hydrogène est en effet perçu comme une énergie propre car il permet une utilisation de ressources variées et renouvelables. La production de H2 pur est issue de l’électro-yse de l’eau (H2O), selon la réaction suivante : H2O + énergie = 1⁄2 O2 + H2. Cela permet, par exemple, de valoriser les surplus de production d’électricité. Autres avantages de l’hydrogène, cette énergie se caractérise par une réduction des énergies fossiles et des gaz à effet de serre – les véhicules alimentés à l’hydrogène n’émettent que de la vapeur d’eau – et une production plus locale. Cela se traduit notamment par l’indépendance énergétique des pays, une meilleure valorisation des productions d’électricité locales en heures creuses. Et l’hydrogène présente même des avantages sur l’électricité : un stockage d’énergie plus simple, où le H2 est stocké sous pression, ce qui évite le recours à des batteries électriques, la réduction des coûts de transport, la production pouvant se faire sur site ou l’hydrogène pouvant être acheminé via des pipelines. Comme le H2 peut-être stocké de nombreuses façons et que les piles à combustible à hydrogène sont transportables et adaptables, il existe beaucoup d’applications potentielles, telles que les véhicules (voitures, bus, vélo), les générateurs d’électricité indépendants, les batteries de téléphone, etc.

AP2E EST IMPLIQUÉ DANS DEUX PROJETS EUROPÉENS




Mais tout n’est pas parfait. De par leur fonctionnement, les piles à combustible à H2 sont notamment sensibles aux impuretés de l’hydrogène, d’où un impact sur la qualité et les performances des piles (même en présence d’impuretés à l’état de trace) et, au-delà, un problème de responsabilité qui peut se poser. En cas de défaillance, à qui incombe la faute : au fabricant des piles à combustible ? Au gazier ? Au fabricant du véhicule ou de la station de H2 ? A l’utilisateur final ? Parmi les autres enjeux liés à l’hydrogène, on trouve également l’aspect normatif car, même s’il existe des normes européennes, elles sont aujourd’hui obsolètes. Il y a donc pas mal de choses qui bougent sur ce secteur.

L’hydrogène a-t-il un avenir ?


La voiture à hydrogène, on nous la promet depuis belle lurette. Bien que de rares modèles sortent çà-et-là, cette technologie est vue comme une alternative à l’électrique voire son remplacement à long terme. Quelle est son histoire ? Comment fonctionnent les fameuses pile à combustibles et comme produit-on l’hydrogène ? Quels sont leurs avantages et les freins à son développement ? 

 

Le 1er juin 2018, la conférence de presse des 24 Heures du Mans a surpris le monde de la course automobile.Plutôt que des batteries longues à charger, l’ACO a préféré introduire une catégorie hydrogène pour 2024 où six constructeurs seraient déjà intéressés selon le président Pierre Fillon. Malgré l’échec de la GreenGT H2 (forfait en 2013), est-ce un signe que l’hydrogène est enfin une énergie d’avenir en auto ? Avant cela, focus sur sa fabrication et comment il propulse.

Comment fonctionne une voiture à hydrogène ?

Bien que de nombreux prototypes aient utilisé l’hydrogène directement dans des moteurs à combustions interne, la solution aujourd’hui utilisée est celle de la pile à combustible (PAC), ayant plus d’autonomie tout en étant moins bruyante. Il en existe plusieurs types, dont le plus populaire « alcaline » et la PEMFC (membrane à échange de protons) ici employé sur les véhicules. C’est un système lourd à embarquer mais en réalité très simple de fonctionnement. La PAC utilisée dans une voiture nécessite du combustible hydrogène (précisément du gaz dihydrogène ou H2), stocké sous forme liquide  à -253°C dans des réservoirs à haute pression de 350 ou 700 bars (soit 3 à 6 kg par unité), sécurisés par une enveloppe en fibre de carbone. Elle entraîne une réaction chimique ayant pour formule 2H2 + O2 = 2 H2O, donc a besoin d’hydrogène mais aussi d’oxygène, ce qui explique les grandes aérations à l’avant des véhicules comme pour un moteur thermique. La réaction génère de l’électricité, envoyée directement dans le moteur électrique, et de l’eau pure sortant via un petit tuyau d’échappement. On vous épargnera le coup du verre d’eau, et pas d’inondation à prévoir ni de cycle de l’eau brisé car on parle ici de moins d’un litre par kilomètre. Pour être plus visuel, rien de mieux que la PAC de la Toyota Mirai :

A noter que des batteries, alimentées par la PAC, sont toujours présentes afin de supporter les accélérations franches et le démarrage. Cependant, avec l’amélioration des puissances développées (il faut au moins 150 ch pour bouger les 1,8 à 2 tonnes des véhicules), elles se réduisent : si la Hyundai ix35 gardait encore un bloc de 24 kWh en 2014 (= première Nissan LEAF), la Toyota Mirai n’a besoin que d’une capacité de 1,5 kWh,


Bien que la PAC prenne une place conséquente dans un châssis automobile, elle offre de sérieux avantages par rapport aux véhicules électriques actuels. Elle stocke davantage d’énergie en autorisant des autonomies plus élevées (600-800 km contre environ 400 km), surtout chez les camions (1 900 km pour un Nikola One vs 800 km pour le Tesla). Également, le plein d’hydrogène est plus rapide qu’une recharge (moins de 5 minutes contre 45 minutes à plusieurs heures) et la technologie nécessite moins de matériaux compliqués à récolter/recycler tels que le lithium ou le cobalt. En revanche sur ces points, la technologie hydrogène est mise sous pression : l’électrique va rapidement adopter des batteries plus capacitives et plus véloces à recharger.


Le point noir de l’hydrogène est son coût, les voitures étant encore peu répandues donc chères (une Mirai coûte 3 fois plus qu’une berline équivalente), à cause du platine nécessaire à la réaction, et un plein tarifé environ 50 euros. Aussi, l’infrastructure est inexistante (25 stations en France) bien que la perspective de déploiement du réseau soit facile via les stations actuelles et non via un total réseau de bornes.

D’où vient l’hydrogène ?

L’hydrogène (H) est l’élément le plus commun de l’univers, car le plus simple chimiquement (1 seul électron autour du noyau), et est donc le plus présent sur notre planète Terre. Or, cela peut sembler bête, mais il n’existe quasiment pas à l’état naturel. L’hydrogène n’est trouvable que dans des molécules plus complexes, qu’il faut casser afin de l’extraire. Si cela semble obscur, c’est un peu le syndrome du marin assoiffé en plein océan : il est bien entouré d’eau, mais son besoin est en eau douce, qu’il doit extraire afin de la séparer du sel. Il faut donc produire de l’hydrogène, précisément dans sa forme « dihydrogène » ou « H2 ».

Comme il est présent dans de très nombreuses molécules, l’hydrogène est extractible de différentes manières, mais sa production est actuellement pour 95% à base d’énergies fossiles.


La plus commune est le reformage de gaz naturel ou vaporeformage (méthane ou CH4), l’autre étant de la gazéification d’une biomasse (charbon de bois en général). Ces méthodes sont cependant productrices de gaz à effet de serre, respectivement de dioxyde de carbone (CO2) et de monoxyde de carbone (CO). La seconde a par contre l’opportunité de devenir entièrement renouvelable, en reproduisant au fur et à mesure la biomasse, mais elle aura également besoin de capter le carbone pour devenir « verte ».

Enfin, un troisième procédé plus « propre », l’électrolyse de l’eau, reprend le principe de inversé de la pile à combustible : eau = hydrogène + oxygène. C’est une alternative peu répandue (1% de la production) plus chère en raison d’une demande forte en électricité, et davantage dans le cas de l’électrolyse PEM (membrane à échange de protons) plus adaptée aux variations des énergies solaires/éolienne. C’est paradoxal, mais il faut donc de l’électricité pour produire l’hydrogène qui produira l’électricité, mais il faut bien stocker l’énergie quelque part. Une PAC aura de toute façon plus d’avantage qu’une batterie, car à la densité énergique plus élevée.D’autres types de production plus expérimentaux existent tels la photosynthétisation de microbes ou d’algues, la photoélectrolyse et la décomposition thermochimiqiue de l’eau à haute température (900°C).

Générateur d’hydrogène via électrolyse par Areva H2Gen


Si l’utilisation d’une voiture à hydrogène et de sa PAC est propre sur la route, son bilan global devient moins « vert », et très variable selon la méthode de production, comme pour les voitures électriques à batteries. Ces derniers auront dans TOUS les cas des émissions de CO2 globales bien supérieures, tout en sachant que les émissions sont isolées, et sans parler des particules ou NOx, inexistants lors de la production et de l’utilisation de dihydrogène.

Quel avenir ?

Les modèles ne pullulent pas malgré une technologie éprouvée. Hyundai a présenté son séduisant NEXO, mais il rejoint une famille se comptant en 2018 sur les doigts d’une main. La faute au prix (80 000 euros en Europe pour une Mirai), et au manque d’infrastructure.

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