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L’hydrogène a-t-il un avenir ?

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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 :

https://www.youtube.com/watch?v=9hZBv-o4bl0

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.

La filière hydrogène, comme l’électrique l’a reçu voilà 10 ans, nécessite une véritable impulsion politique pour l’infrastructure en bornes publiques (la plupart sont privées), l’achat voire une ligne directrice forcée (comme en Chine avec part d’électrification dès 2019). Une obligation, car même au Japon - où le premier ministre paradait en Mirai - et en Californie, le souffle retombe en faveur de l’électrique. Seule la Corée du Sud semble s'en donner les moyens, avec 16.000 véhicules et 310 stations en 2022 au travers d'un investissement de 2.600 milliards de wons (2 milliards d'euros).

En France, le plan Hulot annoncé le 1er juin 2018 montre certes une volonté, avec la décarbonisation partielle de la production d’hydrogène (10% en 2023, 30% en 2028) et la volonté d’être un leader mondial en la matière. La France possède bien le n°2 mondial du domaine Air Liquide, mais le budget alloué via l’ADEME est trop faible : 100 millions d’euros pour 2019 renouvelables pendant cinq ans, et sans prévision au-delà. C’est 1/10è du nécessaire selon le cabinet McKinsley ou le DG Hyundai France Lionel French Keogh. Pour rendre compte du manque de moyens, le projet "Zero Emission Valley" en Auvergne-Rhône-Alpes – 1 000 véhicules, 20 stations et 15 électrolyseurs – requiert 70 millions d’euros à lui seul sur 10 ans.

Station à hydrogène pour véhicules



Le plan Hulot vise 5.000 véhicules à hydrogène d’ici 2023 contre 250 fin 2017, devant se résumer à des taxis, camions, engins de chantier ou bus (une ligne est prévue en 2019 à Versailles). Enfin 100 stations seraient disponibles dans le pays à la même échéance, là aussi un objectif limité sans financement adapté, une station coûtant 2 millions d’euros. Autre ordre de grandeur (ou petitesse), le Japon prévoit 160 stations et 40 000 véhicules d'ici 2020, face au million d’électriques sur les routes selon les analystes et environ 23.000 bornes électriques déjà installées aujourd’hui.

L’hydrogène dans l’automobile semble lointain et devrait le rester à court terme sans coup de pouce, la filière piétinant ces 20 dernières années en termes de pollution, de rentabilité et d’investissement. La poussée des énergies solaires/éoliennes sera un autre facteur déterminant. Comme évoqué sur POA dès 2015, l'énergie "verte" est fluctuante, dans le réseau d’électricité de nos foyers (idéale pour stocker l’énergie éolienne/solaire dans les pics et la redistribuer lors des creux

Il reste quand même une réalité hors du segment automobile, d'abord dans les bus ou chariots élévateurs. Il est produit à 60 millions de tonnes par an dans le monde, notamment pour les secteurs de la chimie (ammoniac), électroniques (écrans plats), métallurgique ou du verre. Sans lui, jamais l’homme n’aurait marché sur la Lune, les fusées ayant des moteurs alimentés en oxygène et hydrogène. On évoque aussi la pile à combustible dans l’aviation sur de petits aéronefs voire de support (Boeing Phantom Works, Hycarus), dans le ferroviaire pour remplacer les locomotives diesel (Alstom Coralia iLint) ainsi que dans le secteur maritime (sous-marin Type 212, ferry Hydrogenesis, projet Energy Observer).

L'hydrogène en automobile : une vieille idée



Contrairement à la propulsion électrique, qui dominait l’essence dans les premières heures de l’automobile, l’hydrogène a toujours été une curiosité se résumant à de rares modèles. Une curiosité née dès 1807 avec une création signée du Suisse François Isaac de Rivaz, une véritable voiture 79 ans avant la Benz « Patentwagen » puisqu'à quatre roues et propulsée par un moteur à combustion.

Dispersés sur près d'un siècle, l'Hippomobile du Français Etienne Lenoir (1860) était animée par de l’hydrogène né de l’électrolyse de l’eau, un pickup Norsk Hydro le mettait directement dans le moteur en 1933 et un GAZ-AA fut converti et produit en série pendant la Seconde Guerre Mondiale. En 1959, est apparu le premier véhicule à pile à combustible (PAC). Horreur pour les bagnolards, c’était un tracteur Allis-Chalmers du Milwaukee, puissant de 20 chevaux et capable de tracter quelques 1.300 kg.

L’approche par un constructeur a débuté aux Etats-Unis en 1966 par la fourgonnette General Motors Electrovan avec pile à combustible, avant que Jack Nicholson ne présente une Chevrolet Caprice carburant à l'hydrogène 12 ans plus tard, tout en parlant d'une production par l’énergie solaire. Au Japon, l’aventure ne démarre qu’à partir de 1974 via l’institut technologique de Tokyo Musashi, qui a développé plusieurs prototypes à bicarburation jusqu’en 1997, tandis qu'en Allemagne étaient exposées les BMW 520h et Mercedes-Benz 280 TE. Les années 1990 se résument à quelques protos Mazda, Mercedes, BMW et même une Renault Laguna Nevada « Fever » en association avec PSA (40 ch, 110 km/h de pointe).

https://www.youtube.com/watch?v=TjfONpsFvyM

L’hydrogène a vécu sa première vraie vague entre 1997 et 2008, avec quelques exemplaires de la BMW 750hL à bicarburation (204 ch, bicarburation, 350 km), du Toyota Highlander FCHV (107 ch, PAC, 250 km), et des Honda FCX (82 ch, PAC, 355 km) et FCX Clarity (130 ch, PAC, 435 km). En parallèle, les concepts de salons ont pullulé sur les stands Honda, Mazda, Ford, Hyundai/Kia, Volkswagen, Mercedes, Peugeot ou Fiat, ainsi qu’en exemplaires de démonstration comme l’oublié Renault Scénic ZEV H2 de 2008.

La crise financière ayant mis un coup d’arrêt à partir de 2009, l’hydrogène a disparu des cartes, puis a repris sa place en salons. En pratique, le Hyundai ix35/Tucson FCEV a écoulé des centaines d’unités depuis 2014 (136 ch, PAC, 500 km), en parallèle des débuts de la Toyota Mirai (154 ch, 650 km d’autonomie). Plus récemment, la Honda Clarity est réapparue en 2016 (175 ch, 750 km) et le Hyundai NEXO (184 ch, 800 km) a pointé sa large calandre en mars 2018 en Corée. En parallèle, Riversimple a créé multiples prototypes, dont le dernier Rasa pèse seulement 580 kg pour 483 km d’autonomie.

On le voit, l’histoire se résume à des prototypes très espacés, avec une émergence de projets depuis la fin des années 1990. Malgré davantage de présence sur les salons que l’électrique avant 2009, cette technologie n’a pas franchi le cap de la série, seuls quelques modèles ayant pris le chemin de petites flottes professionnelles ou d’administration.

Aussi rapides à ravitailler qu’une voiture thermique tout en étant silencieuses, moins lourdes et à l’autonomie supérieure à une électrique, sans rejet polluant sur route, les voitures à pile à combustible à hydrogène ont une technologie prête pour le futur, spécialement pour les grandes berlines/SUVs ou utilitaires. Mais il reste encore énormément de travail et surtout de volonté, surtout que la filière hydrogène a peu progressé depuis 20 ans et a été mise dans l’ombre par la vague électrique.

Comme cette dernière, plus qu’un plan Hulot, il faudra un sacré coup de pouce pour l'infrastructure ainsi que des programmes d’incitation à l’achat afin de devenir une énergie alternative. L'hydrogène devra en plus assurer sa production propre et renouvelable, pourquoi pas à base d’électrolyse à source solaire/éolienne. Chiche ?



Dimanche 16 septembre 2018

L’avis des Petits Observateurs

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