Le défi de l’hydrogène

Aujourd’hui, si l’on parle de nouvelles formes de propulsion pour voitures et véhicules utilitaires, on ne pense plus propulsion à l’essence ou au diesel, mais moteurs électriques, piles à combustible - et hydrogène.

Avec les moteurs hybrides et électriques, l’industrie automobile met le cap actuellement sur une mobilité pauvre en CO₂. Si le passage du moteur à combustion au moteur électrique semble être acquis, le problème de la gestion de l’énergie dans le véhicule n’est pas encore résolu de manière satisfaisante.

Pour remplacer la batterie lithium-ion, une alternative se propose : la pile à combustible. Avec de l’hydrogène et de l’oxygène, elle produit l’électricité pour le moteur d’entraînement à bord de la voiture. L’hydrogène (H₂) est chargé en quelques minutes, l’oxygène (O₂) est prélevé dans l’air ambiant. Cela sonne étonnamment simple et convaincant, mais pose tout de même quelques problèmes.

Avec six stations seulement en Suisse, le réseau des stations H2 est encore peu développé aujourd’hui. Avec le lancement d’un plus grand nombre de poids lourds propulsés aux piles à combustible par Hyundai et l’initiative hydrogène de l’entreprise suisse H₂ Energy, le réseau devrait se développer rapidement. Pour les bus et les camions comme le Hyundai Xcient, le système des piles à combustible présente l’avantage de pouvoir assurer des portées importantes sans pertes essentielles de charge utile et de volume de chargement. L’unité motrice du Xcient est composée de deux piles à combustible d’une puissance combinée de 190 kW, d’un bloc de batterie de 73 kWh, d’un moteur électrique de 350 kWh et d’une transmission automatique Allison. 34,5 kg d’hydrogène dans des réservoirs à 350 bars de pression permettent une autonomie d’environ 400 km.

Pour les voitures aussi, la propulsion par un moteur à hydrogène et piles à combustible est prête pour une production en série. Hyundai avec la Nexo et Toyota avec la Mirai proposent déjà des systèmes de deuxième génération. Alors que les avantages en termes de ravitaillement et de poids du véhicule sont percutants - la pile à combustible et la batterie tampon de la Toyota Mirai ne pèsent que 70 kg - la question du coût reste ouverte. Les prix du marché pour les modèles FC (Fuel Cell, pile à combustible) doivent d’abord se stabiliser. À l’heure actuelle, les voitures qui se vendent de CHF 59'900.- à 71'900.- francs pour la Toyota et à CHF 89'900.- pour la Hyundai ne sont pas encore vraiment concurrentielles. Par contre, on peut comparer les coûts de carburant : pour 100 kilomètres, une voiture FC aura besoin d’un kilo d’hydrogène environ à CHF 12,50. L’essence pour un trajet de 100 km dans une voiture équivalente coûtera environ CHF 12.- francs et pour un moteur diesel, il faudra débourser de CHF 9 à 10.-.

Remplir le réservoir avec du H₂ va vite, certes, mais il y a un autre obstacle : pour pouvoir remplir le réservoir à 700 bars, l’hydrogène doit être comprimé à presque 1’000 bars par des compresseurs à la station - ce qui requiert naturellement beaucoup d’énergie. L’hydrogène peut être mis en réservoir plus facilement s’il est stocké sous forme liquide. Le constructeur de voitures de sport Gumpert, par exemple, remplit le réservoir de Nathalie, sa deux-places particulièrement véloce, avec du méthanol dont un reformeur embarqué dans le véhicule extrait le H₂ et l’envoie dans la pile à combustible. Karma Automotive - anciennement Fisker, appartenant maintenant au groupe chinois Wanxiang - travaille également sur un système similaire. Pour que ces voitures puissent rouler de manière totalement neutre en CO₂, le méthanol doit avoir été produit à partir de sources d’énergie renouvelables.

L’hydrogène peut également être intégré dans un moteur à combustion. Plusieurs constructeurs étaient proches de la production en série de ces modèles. Cependant, BMW avec un moteur hydrogène V12 dans la série 7 et Mazda avec un moteur Wankel dans la RX-8 hydrogène RE ont cessé de développer ces modèles. Depuis peu, le sujet est redevenu d’actualité. L’entreprise Keyou, implantée dans le sud de l’Allemagne, et le fournisseur Bosch estiment que des moteurs à combustion H₂ - unités diesel modifiées - pourraient constituer une alternative judicieuse aux piles à combustible ou aux batteries dans les poids lourds.

Les ingénieurs voient un large éventail d’applications pour le H₂ dans les carburants synthétiques. E-Fuels peuvent être adaptés à partir de H₂ et CO₂ dans des processus chimiques établis sur mesure pour faire fonctionner les véhicules à l’essence et au diesel ou même au kérosène. Même s’ils sont chers et impossibles à produire en grande quantité, ils pourraient devenir intéressants pour le transport sur de longues distances ou pour propulser des voitures dites Oldtimer.

Mais la production de l’hydrogène reste un obstacle majeur. Bien que l’élément soit très commun, il n’apparaît presque jamais sous forme libre, mais généralement comme molécule H2 en combinaison avec de l’oxygène (O) sous forme d’eau (H₂O). Il faut donc produire l’hydrogène - en utilisant l’énergie primaire. Pour des raisons économiques, environ 95 % de l’hydrogène est actuellement produit à partir de gaz naturel. Une production presque exempte d’émissions peut être obtenue par le fractionnement électrochimique de l’eau, via l’électrolyse de l’eau avec de l’électricité issue de sources renouvelables.

On pourrait objecter que le degré d’efficacité de la propulsion à piles à combustible est moins bon que celui d’une propulsion électrique avec batterie. Mais si l’hydrogène de la pile à combustible est produit avec de l’énergie éolienne et solaire excédentaire, cela n’a pas vraiment un impact. De plus, des travaux sont menés sur des procédés biologiques de production d’hydrogène, mais ils sont encore en phase de développement.

Texte: Stephan Hauri
Images: zVg