L’hydrogène – la substance qui fait rêver

L’hydrogène, un vecteur d’énergie, pourrait être utilisé pour le fonctionnement des voitures électriques à piles à combustible ou comme carburant pour les moteurs à combustion - sur la route, dans l’air et sur l’eau… et entrevoir ainsi un avenir radieux.

Faire avancer une voiture à l’eau est certes un projet tentant, mais malheureusement illusoire. Mais avec de l’hydrogène, un tel exercice peut conduire à la réussite. Le problème : transformer l’eau en hydrogène est coûteux et nécessite beaucoup d’énergie. De plus, le ravitaillement et le stockage du carburant dans une voiture représentent quelques challenges. Malgré tout, à l’avenir,   l’hydrogène jouera un rôle important dans la propulsion de divers moyens de transport. En principe, trois options principales sont dans le focus des stratèges en énergie : d’une part, l’hydrogène peut produire de l’électricité pour les voitures électriques dans une pile à combustible ou, d’autre part, être utilisé directement dans les moteurs à combustion. En outre, il peut être utilisé dans la production de carburants synthétiques qui permettent un fonctionnement neutre en CO₂ des moteurs à essence et diesel.

Comme l’hydrogène (H, voire H₂) n’existe pas à l’état pur dans la nature, il doit être extrait d’un matériau de support – ce qui nécessite toujours de l’énergie. De nos jours, il est encore obtenu presque exclusivement de matériaux fossiles, principalement du gaz naturel. Par un procédé appelé vaporeformage, qui libère aussi du CO₂, on produit de « l’hydrogène gris » à partir du gaz naturel (CH4, méthane). Dans l’utilisation du combustible pour des véhicules, il faut absolument réduire les émissions de CO₂ de manière significative. Pour cela, il faut produire de « l’hydrogène vert ». C’est principalement fait par électrolyse, en divisant l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’énergie éolienne ou solaire.

L’hydrogène, ayant une densité gravimétrique très élevée par rapport aux carburants classiques tels que l’essence ou le diesel, mais avec une densité énergétique volumétrique faible, est extrêmement léger. C’est pourquoi, son transport et son stockage à bord d’un véhicule posent quelques problèmes. Actuellement, le H₂ est encore principalement transporté par la route. Un camion peut transporter de 500 à 1'000 kg environ de H₂ sous forme de gaz dans un réservoir pressurisé. Sous sa forme liquide, environ 4'000 kg de H₂ sont transportés dans un réservoir cryogénique (à environ -253°C). Le transport par pipeline serait plus efficace. Aux USA et dans quelques pays européens, il existe certes déjà un petit réseau de pipelines. Mais ce réseau doit être considérablement étendu – ce qui prend beaucoup de temps et occasionne des coûts considérables.

A l’avenir, l’hydrogène stocké sous pression sera également un carburant pour des véhicules routiers. Que ce soit des véhicules utilitaires ou des voitures individuelles, ils seront équipés de piles à combustible et propulsés par des moteurs électriques. Outre des véhicules circulant sur les routes, les systèmes de piles à combustible sont actuellement aussi testés dans les trains, les bateaux et les avions. De plus, le moteur à combustion H₂ est susceptible de renaître de ses cendres : dans des camions d’abord, dans des voitures individuelles ensuite.

A l’heure actuelle, la gamme de modèles de véhicules à pile combustible est encore marginale. Seules sont disponibles en série la Hyundai Nexo et la Toyota Mirai, alors qu’au Japon et aux USA, Honda commercialise également la Clarity. Dans le nouveau camion Hyundai Xcient, qui circulera prochainement sur les routes suisses, 33 kg de H₂ sont stockés sous 350 bars. Avec son moteur électrique de 350 kW et deux piles à combustible de 95 kW, il pourra atteindre une autonomie de 400 km.

La toute nouvelle biplace Gumpert Nathalie promet non seulement des performances d’une voiture de sport exceptionnelle, mais fonctionne également avec un nouveau mode de stockage d’hydrogène. Dans la voiture de sport Gumpert, un reformeur supplémentaire produit l’hydrogène pour la pile à combustible à partir du méthanol. La voiture peut être ravitaillée en méthanol de manière conventionnelle, et le méthanol peut être stocké sans pression dans le véhicule. Par contre, si le méthanol n’est pas produit de manière régénérative, il reste tout de même une petite quantité de CO₂ fossile.

Dans les années 1990 déjà, l’hydrogène a été testé dans un moteur à combustion des BMW, Ford et Mazda – les Japonais l’ont même testé dans le moteur rotatif. Aujourd’hui, en raison des valeurs cible rigoureuses de CO₂, le thème redevient d’actualité. Dans ce domaine, les fournisseurs sont également actifs. Dans sa présentation pour le Symposium automobile de Vienne (reporté), Stefan Hartung, directeur chez Bosch, déclare : « Les rendements réalisables de l’ensemble motopropulseur – du réservoir aux pneus – sont comparables à ceux des systèmes de piles à combustible dans le moteur thermique H₂. » Bosch et l’entreprise de développement allemande Keyou développent actuellement des moteurs à combustion pour des véhicules utilitaires lourds. Ils peuvent être dérivés de moteurs diesel existants et permettent un fonctionnement presque exempt de CO₂. Avec des émissions inférieures à 1 gramme de CO₂ par kilomètre, un camion est considéré, selon la réglementation européenne, comme véhicule à émission zéro ( Zero Emission Heavy Duty Vehicle ).

Un besoin de développement plus urgent concerne le réseau de stations-service H₂. Actuellement, moins de 200 stations-service sont établies en Europe – et quatre seulement en Suisse. Toutefois, l’introduction imminente d’un plus grand nombre de camions à pile à combustible devrait changer la donne prochainement.

L’hydrogène peut être livré et stocké sous forme de gaz à la station-service, ou alors y être produit directement par électrolyse. Enfin, il doit être amené à une pression de stockage en réservoir pouvant atteindre 1'000 bar – ce qui nécessite une quantité considérable d’énergie pour la compression et le refroidissement.

Texte: Stephan Hauri