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Pile à combustible hydrogène

LA VOITURE À HYDROGÈNE, UNE OPTION RÉALISTE ?

Le moteur thermique a perdu de sa superbe, crise écologique oblige. Le futur s’écrit-il forcément avec des véhicules électriques alimentés par de grosses et lourdes batteries ? Une autre solution comme celle des véhicules à hydrogène est-elle une alternative?

On parle peu des véhicules électriques à hydrogène ou pile à combustible (FCEV) mais cette technologie, pour l’instant moins mature que celle des véhicules électriques à batterie (BEV), permet pourtant de solutionner certains inconvénients propres aux BEV :

• autonomie restreinte et fluctuante suivant les conditions climatiques

• temps de recharge long

• approvisionnement en matières premières problématique

• poids et encombrement des batteries

Preuve de l’intérêt pour l’hydrogène, la France a prévu d’investir 7 milliards d’euros dans la filière, tandis que l’Allemagne a annoncé un investissement de 9 milliards d’euros dans cette technologie.

POURQUOI ?

Contrairement aux matériaux utilisés pour la fabrication des batteries, l’hydrogène est disponible partout et de manière « inépuisable » sur Terre. Sa source la plus abondante ? L’eau évidemment puisque’elle recouvre 70 % de notre planète ! Une molécule d’eau (H2O) est constituée de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Pour obtenir de l’hydrogène il suffit de séparer ces atomes grâce à un courant électrique : c’est le procédé de l’électrolyse.

2H2O —› 2H2 + O2

De plus, lorsque l’électricité utilisée pour cette opération provient d’énergies renouvelables, il devient possible de produire de l’hydrogène de façon écologique sans émettre de CO2. C’est ce qu’on appelle l’hydrogène « vert ».

Dossier Hydrogène Pile à combustible

Si avec 120 MJ/kg l’hydrogène possède une densité d’énergie massique exceptionnelle, il souffre cependant d’une très faible masse volumique avec seulement 0,08 kg/m3. Ramené en énergie volumique, l’hydrogène dispose alors de 0,0096 MJ/dm3 à pression ambiante, à comparer aux 34 MJ/dm3 de l’essence ou aux 2,2 MJ/dm3 des batteries au lithium. Par conséquent, il faut comprimer l’hydrogène (à 350 ou 700 bars) pour embarquer suffisamment d’énergie dans un véhicule selon l’espace disponible et l’autonomie escomptée. À 700 bars de pression, la densité énergétique volumique atteint alors 6,72 MJ/dm3, soit trois fois plus d’énergie par dm3 qu’une batterie au lithium. Et comme il ne pèse presque rien, ça devient intéressant !

Comprimé à 700 bars l’hydrogène dispose de 6,72 MJ/dm3, soit une énergie de 120 MJ contenue dans un réservoir de 18 litres.

Pour un même volume, une batterie au lithium ne propose que 40 MJ pour un poids beaucoup plus élevé.

COMMENT ÇA MARCHE ?

La pile à combustible (PAC) permet de créer de l’électricité grâce à une réaction d’oxydation et de réduction sur ses électrodes. Pour réaliser le processus d’oxydo-réduction, la PAC a besoin d’un combustible réducteur et d’un oxydant. Dans notre cas, c’est le couple hydrogène H2/oxygène 02.

Hydrogène

H2 H2

Chaleur

ee- e-

e-

e-

H+

Anode

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+

Electrolyte

Catalyseurs

e-

e-

e-

O

H H

O

Cathode

Oxygène

O2 O2

Chaleur

Eau

H2O H2O

En résumé, les molécules d’hydrogène (H2) se décomposent au niveau de l’anode au contact d’un catalyseur. Cette réaction d’oxydation libère des électrons (e-) qui créent le courant électrique. 2H2 —› 4 H+ + 4e-

De l’autre côté de la PAC, au niveau de la cathode, l’oxygène (O2) réagit avec les électrons (e-) libérés lors de l’oxydation. C’est la réduction. O2 + 4e- —› 2O-2

Enfin, les protons d’hydrogène (H+) se combinent avec les ions d’oxygène (O-2) après avoir traversé les catalyseurs et l’électrolyte pour rejoindre la cathode. Cette dernière réaction produit de l’eau. 4H+ + 2O-2 —› 2H2O

Il n’y a donc pas d’émission de polluants lors de l’utilisation du véhicule, seule de la vapeur d’eau est émise.

Actuellement, le rendement d’une pile à combustible à hydrogène est d’environ 50 % (95 % pour un BEV, 40 % pour le meilleur moteur à combustion interne de production ou 50 % pour les moteurs de F1). En outre, les réactions de la PAC produisant de la chaleur, celle-ci peut ensuite être utilisée pour chauffer l’habitacle ou les composants lorsque cela est nécessaire. Pour fonctionner, une PAC a donc besoin d’hydrogène (stocké dans des réservoirs) et d’oxygène (puisé dans l’air ambiant). Comparé à un véhicule électrique à batterie (BEV), la différence est donc la méthode de stockage de l’énergie :

• sous forme chimique dans la batterie, on recharge sur une borne électrique. • sous forme gazeuse/liquide dans le réservoir d’hydrogène, on recharge à une station comme un véhicule thermique conventionnel.

Une voiture électrique à hydrogène est composée des éléments suivants : un réservoir d’hydrogène, un compresseur d’air, une petite batterie au lithium tampon*, la pile à combustible (PAC), un moteur électrique et l’électronique de puisssance/ commande.

Hydrogène

Chaleur

H2O

Réservoir hydrogène

Échappement

Batterie Tampon Lithium

Pile à

combustible Électricité

Compresseur AIR

Moteur générateur

O2

*Cette petite batterie sert d’une part à alimenter le moteur électrique de concert avec la pile à combustible sous forte accélération, et d’autre part elle permet d’utiliser la fonction de freinage régénératif lors de décélération (récupération d’énergie au freinage).

Hydrogène

POUR QUI ? H2 H2

Aujourd’hui cette technologie souffre à Oxygène la fois du manque de développement O2 O2 des infrastructures de recharge et de la production couteuse d’hydrogène vert. De nombreuses recherches sont en cours pour améliorer les piles à combustible (meilleure efficacité et miniaturisation) et rendre la production de l’hydrogène vert par électrolyse abordable. Il existe de nombreuses pistes d’amélioration à explorer et nous ne sommes qu’au début de la montée en puissance de cette solution complémentaire aux batteries (et aux carburants de synthèse).

Si cette technologie est déjà en production à faible échelle, c’est davantage au domaine du transport qu’elle s’applique. En effet, l’hydrogène semble être pour le moment la meilleure solution pour les véhicules lourds effectuant de longs trajets et ayant besoin de ravitailler en énergie rapidement. Des modèles de poids lourds et autres véhicules utilitaires à hydrogène sont actuellement en cours de développement et devraient bientôt arriver sur le marché. la part croissante des énergies renouvelables, l’électrolyse est aussi une solution pour le stockage de ces énergies alternatives. Cette option pourrait devenir une clé pour garantir l’équilibre de notre réseau d’approvisionnement. En effet, contrairement aux batteries, il est relativement facile de stocker de grandes quantités d’énergie pendant une longue durée grâce à l’hydrogène. Enfin, c’est une source d’énergie facile à déplacer, sous forme de camions citernes, bonbonnes, voire aussi de pipeline.

QUAND ?

Cette technologie a encore besoin d’évoluer pour proposer une alternative sérieuse au stockage d’énergie par batterie. Elle fonctionne déjà, est parfaitement fiable et son arrivée sur le marché va s’intensifier dans certains domaines. Par exemple, Renault et PSA ont annoncé l’arrivée de leur gamme utilitaire à hydrogène pour fin 2021; Hyundai et Toyota proposent déjà voitures et camions à hydrogène (programme Xcient) et Mercedes proposera également une offre utilitaire dans les années à venir (programme GenH2).

CONCLUSION

Plusieurs solutions techniques arrivent (ou sont déjà) sur le marché qui pourront nous aider à réduire efficacement nos émissions de CO2. En ce qui concerne la mobilité, trois solutions émergent aujourd’hui avec chacune leurs avantages et leurs faiblesses :

• les véhicules électriques avec batterie de traction

• les véhicules électriques avec pile à combustible hydrogène

• les véhicules thermiques ou hybrides avec e-fuel (carburant de synthèse)

Si la propulsion (moteur) électrique semble s’installer comme la norme pour le futur, il semble cependant trop tôt pour ériger le véhicule électrique à batterie en solution unique comme souhaite l’imposer la Commission européenne. En effet, les avancées technologiques nous donneront une vision plus claire sur les solutions les plus prometteuses et, de toute évidence, l’hydrogène semble disposer du potentiel adéquat pour devenir une alternative de choix dans un avenir plus ou moins proche. Le mot de la fin sera celui de la sagesse qui nous suggère que la solution est à chercher dans la diversité et la complémentarité des technologies pour obtenir une mobilité responsable, durable et réaliste.

Antonio DA PALMA FERRAMACHO  / Denis HUBERT

UN CARBURANT SYNTHÉTIQUE AU CHILI

Siemens Energy et Porsche construisent une usine de carburant neutre en CO2 (eFuel) au Chili. Elle produira 130 000 litres d'eFuel dès l'année prochaine. Sa capacité sera portée à 55 millions de litres d'ici 2024 et à 550 millions de litres d'ici 2026.

Le projet utilise l'énergie éolienne pour produire un combustible neutre en CO2. L'électricité est utilisée pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène par électrolyse. Le dioxyde de carbone est ensuite filtré de l'air et converti en eFuel avec l'hydrogène. Outre Siemens Energy, Porsche et HIF, Enel, ExxonMobil, Gasco et ENAP participent également au projet appelé Haru Oni.

NOUS AVONS ESSAYÉ LA TOYOTA MIRAI ET LA HYUNDAI NEXO

Nos experts ont eu la chance de se glisser derrière le volant de deux modèles à pile à combustible encore rares, la Toyota Mirai et la Hyundai Nexo. Retrouvez toutes leurs impressions en vidéo en scannant le QR Code.

Toyota Mirai

Hyundai Nexo

Si le développement des voitures électriques modernes a vraiment pris son envol après 2010 pour la plupart des constructeurs, celui de la pile à combustible (PAC) date des années 1990. À l’époque nombreux étaient les constructeurs à s’intéresser à l’hydrogène sous diverses formes. Il y avait par exemple Mercedes, GM, Honda, Toyota et Huyndai qui développaient la PAC alors que d’autres comme BMW et Mazda adaptaient leurs moteurs à combustion interne pour brûler ce gaz. Le résultat de ces recherches a abouti à de nombreux prototypes, quelques véhicules en location à titre expérimental (Honda Clarity, Mercedes GLC F-Cell) mais aussi aux modèles en vente actuellement comme les Toyota Mirai et Hyundai Nexo de nos essais vidéo.

Audi e-tron GT AVENTURE ÉLECTRISANTE AVEC L'AUDI E-TRON GT

Comment ne pas succomber à ses lignes sculpturales ? L‘Audi e-tron GT semble sortir tout droit d‘un rêve, trop belle pour exister. Pourtant, elle est bien réelle.

Notre périple en Audi électrique débute à la Cloche d’Or. Il est 10h du matin lorsqu’un petit convoi d’Audi e-tron GT s’élance en direction de Schengen. Sur les routes aux grandes courbes, nous exploitons l’agilité de la voiture. Prise en main rapide et véhicule stable en virage, c’est un vrai régal à la conduite. Passant à travers bois, nous nous trouvons soudain au beau milieu des vignes. Le décor est à couper le souffle. Sur le dessus des crêtes, nous contemplons la Moselle en contrebas en avançant à un rythme de croisière sur la route. Quelques instants plus tard, nous voici arrivés à notre première destination de la journée : la Fondation Valentiny. Moderne, sobre, lignes du bâtiment aux aires futuristes à l’image de l’Audi e-tron GT, ces deux-là étaient faits pour se rencontrer. Il est temps de quitter cet ovni architectural pour remonter à bord de notre œuvre d’art dynamique. Être badgée GT pour une voiture, ça implique un certain nombre de contraintes. Notamment un excellent comportement dynamique et des lignes élégantes qui invitent au voyage. L’Audi e-tron GT remplit tous ces critères. Avec ses 350 kW sous le capot, soit 476 ch, les poussées sont très dynamiques et sont ressenties instantanément.

Arrivée l’heure de midi, nous devons, contrairement à la voiture, recharger les batteries. Dans un environnement exceptionnel, le Kikuoka Country Club, immense terrain de jeu pour golfeurs, nous ouvre les portes de son bistrot. Là aussi, la verdure des terrains de golf offre un parfait écrin pour les Audi exposées pour l’occasion.

UN CLIN D’ŒIL À HENRI TUDOR

Chargés à bloc, nous reprenons la route en direction de Rosport. Les routes sont moins larges et plus sinueuses. Malgré sa longueur de près de 5 mètres, l’Audi e-tron GT avalent les courbes les unes après les autres sans difficulté.

À la pointe du village de Rosport, nous avons rendez-vous au musée Tudor. Au XIXème siècle, le Luxembourgeois Henri Tudor comptait parmi les pionniers du développement du stockage de l’électricité. Il aurait sans aucun doute apprécié la vue de ces Audi e-tron GT sous sa fenêtre !

Et voilà déjà l’heure de mettre un terme à cette aventure électrique. Nous profitons des derniers instants en compagnie de cette voiture. Comme toutes les Audi modernes, l’e-tron GT est entièrement connectée : infodivertissement, services en ligne, systèmes d’assistance, etc. tout a été pensé pour le confort des voyageurs.

Avec l’e-tron GT, Audi démontre que la mobilité électrique peut être fascinante. Ce coupé quatre portes combine un design percutant qui fera se retourner les passants avec des performances électrisantes et un comportement dynamique. Pour en être l’heureux propriétaire, comptez toutefois au moins 101 200 €.

Florian BROUIR

JE CONTRÔLE MON VÉLO >>>

Retrouvez ici le code de la route pour les cyclistes

1. Sonnette

2. Freins

3. Feu blanc ou jaune avant

4. Au moins deux réflecteurs par roue ou bande réfléchissante continue sur les pneus

5. Réflecteurs sur les pédales

6. Réflecteur arrière rouge

7. Feu arrière rouge

8. Casque de vélo

9. Gilet réfléchissant