La voiture à hydrogène, tout simplement

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Voiture électrique à H2

La tendance actuelle de l’automobile glisse vers une motricité électrique. Aujourd’hui avec des voitures : 100 % électriques rechargeables, ou bien des hybrides (thermiques/électriques) – De toutes façons à batteries. Il existe aussi à des électriques fonctionnant avec une pile à combustion (à la place des batteries) appelées voitures “électriques à hydrogène”.

Historique des voitures électriques à l’hydrogène” (H2) :

1799, Philippe Lebon avait prédit que son « gaz hydrogène » (du gaz de bois, dont on peut supposer qu’il contenait au moins 50 % de dihydrogène) serait « une force applicable à toutes espèces de machine ». 1804 : le Suisse François Isaac de Rivaz fabrique les premiers moteurs à hydrogène. Qui utilisent le gaz de houille comme combustible dans des moteurs à explosions. En 1859, Étienne Lenoir dépose un « brevet d’un moteur à gaz et à air dilaté », un moteur à combustion interne à deux temps qui utilise le gaz de houille. 1867, Nikolaus Otto réalise un moteur fonctionnant au gaz de houille plus perfectionné de 4 chevaux. En 1872, Otto créé Deutz AG avec Gottlieb Daimler.

1970, Paul Dieges dépose un brevet d’une modification des, moteurs à combustion interne qui autorise la consommation d’hydrogène. En 1979, un Français, Jean-Luc Perrier, professeur de mécanique à Angers, conçoit et fabrique une voiture, dont le gaz s’avère produit par une centrale solaire fabriquée par lui-même. Puis, La BMW Hydrogen 7, présentée pour la première fois au salon de Los Angeles en novembre 2006. Elle représente la première voiture de série fonctionnant à l’hydrogène. En 2013, une Aston Martin hybride roule sur le circuit du Nürburgring, qui fonctionne à l’hydrogène comprimé et de l’essence.

L’hydrogène dans une voiture l’électrique :

La différence par rapport aux autres véhicules électriques classiques, le véhicule hydrogène produit lui-même l’électricité dont il a besoin. Il n’utilise pas l’énergie fournie par une batterie intégrée. Il dispose d’une motorisation électrique identique à celle de n’importe quelle voiture électrique. La différence réside dans le mode de stockage de cette électricité. La voiture reste actionnée par un moteur électrique. 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 ».

Les couleurs d’hydrogène ? L’hydrogène gris, le plus courant, est obtenu à partir de gaz naturel. Le bleu, lorsque les émissions sont captées et stockées dans le sol. L’hydrogène vert provient quant à lui de sources renouvelables et le jaune est produit par électrolyse de l’eau. Et pour la première fois en Europe, un projet d’hydrogène rose, fabriqué à partir d’énergie nucléaire, vient de voir le jour au Royaume-Uni sous la houlette d’EDF.

La pile à combustible H2 d’une voiture :

L’hydrogène (H2) : utilisée dans l’objectif d’alimenter une pile à combustible. Et comme son nom l’indique, la pile à combustible est une… pile. Mais qui a la particularité de produire sa propre électricité afin de la distribuer sans pouvoir la stocker ! Comme pour une pile ou une batterie de voiture électrique standard, la tension électrique se crée grâce à une réaction sur deux électrodes.

Fonctionnement d’une pile à combustible :

D’une manière simplifiée : une molécule H2, est envoyée sur une électrode, l’anode. Sur cette électrode se produit une réaction chimique entre celle-ci et la molécule d’hydrogène (H), permettant de la dissocier en 2 noyaux d’H2 (cation H+) et 2 électrons (e-). Ces noyaux H+ et les électrons vont suivre deux chemins différents. Grâce à une membrane laissant passer tout sauf les électrons (l’électrolyte). Les noyaux cations H+ rejoignent la seconde électrode : la cathode chargée avec une molécule d’oxygène. Les électronsnégatifs, vont toujours chercher à retrouver les atomes positifs.

L’hydrogène ?

Constituée par un élément chimique, un atome, désigné par la lettre H. Il s’agit de l’élément le plus léger que l’on connaisse et le gaz le plus présent sur Terre. Mais aussi dans l’Univers à hauteur de 75%. Pour autant, tellement léger qu’il s’échappe de notre atmosphère et finalement on ne le retrouve majoritairement que dans l’eau (H2O). L’H2 se retrouvant rarement dans l’air c’est pour cela que la totalité de l’hydrogène que nous utilisons est produit industriellement par différents procédés. Pour l’avenir, de récentes études révèlent cependant que d’importantes sources de gaz sont présentes dans le sol naturellement.

Comment fonctionne l’H2 dans une voiture :

Les molécules d’hydrogène ne sont qu’un vecteur d’énergie. En effet, qui alimentent le moteur de la voiture. Pour cela, il faut utiliser ce que l’on appelle une pile à combustible pour produire de l’électricité nécessaire.

L’utilisation de l’hydrogène « vert », produite sans recours aux hydrocarbures, permettrait aux pays ne disposant pas de gisements pétroliers de sécuriser leur approvisionnement énergétique. Cette alternative énergétique pourrait devenir économiquement viable par l’augmentation du cours du pétrole, mais les procédés de production restent coûteuses.  L’H2 utilisée doit au préalable être produite à partir d’eau électrolysée, de méthane reformé, de pétrole, ou d’agro carburant. Transportée, distribuée et stockée dans le véhicule. L’enrichissement du carburant par le gaz désigne principalement l’ajout de dihydrogène aux hydrocarbures que brûlent un moteur à combustion interne. Les promoteurs du dispositif en escomptent principalement une diminution des émissions polluantes (CO2, NOx) des moteurs ainsi équipés. (Commercialisés pour les poids lourds en Amérique du Nord),

Aujourd’hui la majeure partie des constructeurs automobiles a retenu la solution du stockage sous forme gazeuse à haute pression (La méthode la plus simple permettant de diminuer le volume d’un gaz, à température constante, est d’augmenter sa pression). Ainsi à 700 bar, ce gaz possède une masse volumique de 42 kg/m3 contre 0.090 kg/m3 à pression et température normales. À cette pression, on peut en stocker 5 kg dans un réservoir de 125 litres. Pour ce plein effectué en 5 minutes. La Toyota Miral permet ainsi 650 kilomètres d’autonomie.

Pour cela :

Les deux électrons vont emprunter un chemin secondaire via un matériau conducteur qui relie entres-elles les électrodes. En rejoignant l’électrode dans laquelle se trouve l’H2 (cation H+) et l’oxygène, les électrons (O), ils vont, en bougeant, créer ce que l’on appelle du courant électrique. C’est celui-ci qui alimentera en énergie notre voiture !

En arrivant sur la seconde électrode, les deux électrons vont réagir avec la molécule d’oxygène pour former deux ions d’oxygène (O-2). Qui vont ensuite réagir avec les deux noyaux d’hydrogène (cation H+) pour former de l’eau (H2O). Celle-ci sortira par le pot d’échappement ainsi que de la chaleur pouvant même être réutilisée.

Comment fonctionne une voiture à l’hydrogène :

L’énergie électrique produite peut être utilisée de différentes manières :

  • une elle voiture électrique s’avère équipée, comme une voiture électrique standard, d’une batterie. En revanche celle-ci est bien plus petite et permet de stocker seulement l’énergie électrique qui n’est pas consommée par le moteur électrique afin d’assister la pile à combustible si besoin.

la voiture à hydrogène produit de l’électricité qu’elle va :

  • soit stocker dans une batterie qui va alimenter le moteur électrique ;
  • soit utiliser directement l’énergie pour alimenter le moteur électrique et recharger la batterie avec l’excédent d’électricité ;
  • la pile à combustible envoie l’intégralité de l’électricité produite au moteur électrique permettant de franches accélérations ;
  • Si la demande d’énergie est très importante, lors d’un dépassement à grande vitesse par exemple, la batterie soutient la pile à combustible et envoie simultanément son électricité additionnelle au moteur.

Et l’écologie dans tout ça ?

La voiture à hydrogène est écologique si l’on considère uniquement son usage puisqu’elle n’émet aucunes particules finesaucun gaz à effet de serreaucuns polluants… juste de l’eau distillée.

En revanche, si l’on remonte jusqu’à la production de la voiture et des molécules d’H2, le tableau se ternit sur le court terme. Car oui, sur le long terme, tout comme une voiture électrique standard let s’avère plus vertueuse.

Cependant, concernant la production de molécules d’hydrogène car comme évoqué précédemment on ne retrouve pas de molécules d’hydrogène dans l’atmosphère. Celles-ci sont toujours combinées à d’autres molécules. Dans le monde, cette production est aujourd’hui très carbonée et demande des matières fossiles telles que des gaz ou des hydrocarbures (on parle alors d’hydrogène gris).

De nouvelles manières :

De produire de l’hydrogène en grande quantité tout en limitant très fortement les émissions de CO2 sont à l’étude. On peut aussi récupérer par captage le CO2 produit, mais c’est une autre histoire !

Si l’hydrogène est produit de manière durable, via l’électrolyse de l’eau (hydrogène bleu) celui-ci émettrait jusqu’à trois fois moins de CO2 que de produire de l’essence.

Une technique de pointe pour stocker un maximum d’hydrogène dans un volume restreint consiste à transformer de l’hydrogène gazeux en hydrogène liquide en le refroidissant à très basse température. Pour l’instant, réservé à certaines applications particulières de très hautes technologies comme la propulsion spatiale.

 À propos de H², une alternative : Cummins utiliserait directement ce gaz en combustible dans nos “bons vieux” moteurs thermiques, notamment pour les poids lourds .

Mazda maitrise l’alimentation en H2 depuis 20 ans, il y eu une RX8 bifuel (H2 et essence). D’un autre côté, à Minich nous avons Keyou qui maiyrise les moteurs ICE H2.

Chez Toyota, qui planifie de faire du retrofit de véhicules à combustion pétrole vers H2 ? ce qui permettrait de conserver le parc actuel !

Le Powerpaste :

Un autre moyen sûr de stocker l’hydrogène : sous une forme de pâte chimique facile à transporter et à reconstituer sans avoir besoin d’un réseau coûteux de stations-service. Cette nouvelle pâte est à base d’hydrure de magnésium et a été développée par une équipe de recherche de l’Institut Fraunhofer pour la technologie de fabrication et les matériaux avancés IFAM à Dresde.

A bord du véhicule, le Powerpaste est libéré d’une cartouche au moyen d’un piston (comme du dentifrice). Lorsque de l’eau y est ajoutée à partir d’un réservoir embarqué, la réaction qui s’ensuit génère de l’hydrogène gazeux.

La capacité de stockage d’énergie s’avère alors dix fois supérieure aux batteries »

Électrolyse de l’eau :

Si l’électrolyse de l’eau permet de produire de l’hydrogène sans émettre de CO2, elle nécessite aussi énormément d’énergie électrique et celle-ci, à son tour, n’est pas toujours verte ! Mais réalisée via de l’électricité verte (éolienne, solaire, nucléaire…), la production devient pérenne dans le temps mais l’électricité verte est encore trop minoritaire pour être une alternative viable. On parle dans ce cas d’hydrogène vert.

En France, grâce au nucléaire, nous avons une électricité «​ très bas carbone » permettant de réaliser une électrolyse sans émettre directement de CO(hydrogène jaune). Cependant, même si cette solution est aujourd’hui techniquement viable, le rendement et le coût d’une telle infrastructure est difficilement envisageable à l’heure actuelle si la voiture à hydrogène venait à se démocratiser.

Avantages de la voiture à hydrogène :

La voiture à hydrogène apporte des avantages certains vis-à-vis de la voiture électrique et plus encore avec la voiture thermique :

l’hydrogène se retrouve sans limite dans la nature et ne produit pas de CO2 ;

  • le temps nécessaire à la recharge de l’hydrogène n’est guère plus long qu’un plein d’essence. Pour faire le plein en hydrogène, il faut compter entre 3 et 5 minutes ;
  • un plein d’hydrogène ne pèse que 6 ou 7 kilos ! (Plus le poids du réservoir vide). Au lieu des 50 à 100 kg d’une voiture thermique ou de la centaine de kilos des batteries dans une voiture électrique ;
  • seul rejet de cette réaction : de l’eau ! Et selon la provenance de cette énergie. Donc le bilan carbone de l’hydrogène s’avère plus ou moins vertueux…
  • l’autonomie des voitures à hydrogène est également un grand avantage. Une voiture hydrogène peut parcourir jusqu’à 700, voire 1 000 km !
  • comme avec toutes voitures électriques, nous obtenons un exceptionnel agrément de conduite offrant à la fois silence, douceur, absence de vibrations et très fortes accélérations ;
  • la production peut être locale et évite ainsi un transport en camion-citerne qui viendrait ajouter une production de CO2 ;
  • un recyclage aisé de tous les matériaux utilisés par la filière hydrogène. (Pas besoin de terres rares, ni de métaux stratégiques ;
  • le prix de l’hydrogène en 2030 va encore fortement baisser comme celui du prix de l’électricité renouvelable.

Les inconvénients de la voiture à hydrogène :

  • le prix reste aujourd’hui « dissuasif » : Une voiture à hydrogène s’avère bien plus élevé qu’une voiture électrique  (elle-même est plus chère qu’une voiture thermique !) – entre 60 000 et 80 000 € ;
  • le prix de l’hydrogène tourne actuellement autour de 10 euros/kg. Le réservoir d’une voiture à hydrogène peut en contenir 5 à 6 kg. Un plein coûte donc 50 à 60 euros, pour rouler 600 km en moyenne.
  • Les mesures de précaution ajoutent beaucoup de poids à la voiture : un réservoir vide pèse environ 130 kg à cela s’ajoute une pile à combustible déjà lourde qui pèse elle près de 100 kg ;
  • le rendement énergétique d’une voiture à hydrogène n’est aujourd’hui pas à son avantage si l’on prend en compte la production de l’hydrogène jusqu’au réservoir. Celui-ci est de l’ordre de 30%, contre 70% pour une voiture électrique à batterie. À cause de l’énergie nécessaire pour l’extraction de l’hydrogène (hydrolyse de l’eau) ;
  • L’empreinte en gaz à effet de serre de l’hydrogène bleu est supérieure de plus de 20 % à celle de la combustion du gaz naturel ou du charbon pour le chauffage.

Mais surtout d’autres inconvénients :

  • la perte de 10% d’énergie en chargeant et déchargeant la batterie lithium-ion et de plus 5% supplémentaires en utilisant l’électricité nécessaire pour faire rouler le véhicule ;
  • le risque d’explosion : l’hydrogène : un gaz  inflammable quand il est mis en contact avec l’oxygène.
  • D’où des réglementations drastiques afin d’homologuer leurs voitures. Les réservoirs sont tous conçus en matériaux composites, tel que le carbone, et avec de nombreuses sécurités afin d’éviter les fuites. En effet, la légèreté de l’hydrogène reste un avantagemais l’hydrogène peut s’échapper très facilement. Afin de garantir la meilleure sécurité, les réservoirs sont notamment testés avec des tirs de mitrailleuse. Pour autant, l’hydrogène est utilisé depuis des dizaines d’années et son utilisation est maitrisée ;
  • la sécurité pour le remplissage avec l’hydrogène ;

Et encore :

  • un réseau de recharge quasiment inexistant à ce jour.
  • on s’oriente actuellement sur des petites unités de production locale, pour une trentaine de véhicules/jour placées le long de grands axes routiers, d’une capacité d’approvisionnement d’une trentaine de véhicules par jour. Mais pour les domiciles des particuliers cela demeure une autre question, d’autant plus qu’on n’a pas encore maîtrisé encore l’approvisionnement en électricité
  • équiper en simultané nos routes d’un deuxième nouveau réseau d’approvisionnement en énergie me semble bien utopique.

L’avenir de l’hydrogène :

Aujourd’hui cet avenir demeure incertain et semble plus proche de la recherche d’un simple progrès scientifique que de l’utilisation d’une réelle avancée technologique :

  • Pour les poids lourds, les bus, les grosses flottes, les trains, les avions, les bateaux qui peuvent bénéficier de leur propre centrale de ré approvisionnement cet avenir ne dépend que de la volonté de responsables internes et autres décideurs. D’autant plus que l’argument prix de revient de l’hydrogène demeure déjà plus à la portée sur de grosses unités. Donc, que ceux-ci lèvent le doigt  à la recherche de futurs « early adopters ».
  • Pour les voitures particulières, cela s’avère d’une toute autre problématique. D’abord pour une simple question de prix d’acquisition mais aussi par celui de l’hydrogène. Mais surtout pour une question d’infrastructures de recharge disponibles.
  • La filière hydrogène, à l’échelle mondiale, va devoir réussir à se développer en limitant tout autant ses coûts financiers qu’environnementaux. Il sera difficile de parvenir à un équilibre satisfaisant avec ce produit.

BMW :

Le groupe BMW confirmait qu’il continuait de croire dans la technologie. Il présentera au salon IAA de la mobilité de Munich en septembre 2021, sa BMW iX5 Hydrogen. Elle sera produite d’abord en petite série “à des fins de démonstration et d’essai sera lancée en 2022”. Nous sommes encore loin d’une utilisation d’H2 de masse sur des véhicules, mais la recherche dans ce sens avance à grand pas.

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