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Diminution des émissions polluantes et du bruit, une conduite dynamique : les véhicules électriques offrent de nombreux avantages tant pour le client que pour l’environnement. Lorsqu’on parle d’électromobilité (➜ Lire aussi : Véhicules électriques : les mythes tenaces), la plupart des personnes imaginent des véhicules alimentés par l’électricité d’une prise de courant et équipés d’une batterie grand format. Et pourtant, une autre technologie de propulsion prometteuse intéresse les spécialistes des transports : une alternative sans émissions et permettant de réduire les temps de charge. Il est question ici de la propulsion électrique à hydrogène ou propulsion par pile à combustible.
7 questions et réalités sur les véhicules à hydrogène
1. Comment fonctionne la propulsion à hydrogène ?
2. Les avantages et le potentiel des voitures à hydrogène
3. Combien coûte un véhicule à hydrogène ? Et pour quelles raisons ?
4. Dans quelle mesure la propulsion à l’hydrogène est-elle non polluante et durable ?
5. La propulsion à l’hydrogène présente-t-elle des risques ?
6. Quel rôle la propulsion à l’hydrogène jouera-t-elle à l’avenir ?
Comment fonctionne le moteur à hydrogène pour voiture ?
Une voiture à hydrogène est actionnée par un moteur électrique, c’est pourquoi elle appartient à la catégorie des voitures électriques. 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 ».
La différence décisive par rapport aux autres véhicules électriques est que le véhicule hydrogène produit lui-même l’électricité dont il a besoin. Il n’utilise donc pas l’énergie fournie par une batterie intégrée, comme les modèles purement électriques ou hybrides plug-in qui peuvent être rechargés à une source d’électricité externe (➜ Lire aussi : Tous les types de voitures électriques). Une voiture à hydrogène transporte en quelque sorte sa propre centrale de production d’électricité efficace à bord, qui transforme le plein d’hydrogène en électricité. Et cette centrale, c’est la pile à combustible.
Dans la pile à combustible se déroule un processus appelé électrolyse inversée, au cours duquel l’hydrogène réagit au contact de l’oxygène. L’hydrogène provient d’un ou de plusieurs réservoirs dans le véhicule, l’oxygène de l’air ambiant. Cette réaction provoque uniquement de l’énergie électrique, de la chaleur et de l’eau, évacuée sous forme de vapeur par le pot d’échappement, sans aucune émission.
L’électricité produite dans la pile à combustible suit deux chemins, indépendamment des besoins du véhicule en train de rouler. Le courant alimente d’une part le moteur électrique et fait avancer directement le véhicule. D’autre part, ou alternativement, il charge une batterie servant de stockage intermédiaire en attendant que cette énergie soit nécessaire pour rouler. Cette batterie de traction est nettement plus petite et donc plus légère que la batterie d’une voiture purement électrique, puisqu’elle est alimentée en continu par la pile à combustible.
Comme d’autres voitures électriques (➜ Lire aussi : Tout sur la recharge des voitures électriques), les véhicules à hydrogène sont en mesure de récupérer l’énergie de freinage. Ce faisant, le moteur électrique transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique et la stocke dans la batterie tampon.
Les avantages et le potentiel des voitures à hydrogène
- Les voitures à hydrogène sont purement électriques et ne produisent donc aucune émission locale. Les sensations de conduite sont alors similaires à celles des voitures électriques. À savoir, une accélération dynamique et presque silencieuse, car les moteurs électriques délivrent leur couple maximal dès les bas régimes (➜ Lire aussi : Tout sur le couple moteur).
- Le principal avantage de la voiture électrique à hydrogène, et son meilleur atout concurrentiel ? Un temps de recharge très court. Contrairement au temps de recharge des voitures électriques, variable selon le modèle et l’infrastructure, le réservoir d’hydrogène d’une BMW iX5 Hydrogen (flotte pilote) se remplit en trois à quatre minutes seulement. Ces véhicules offrent ainsi la même disponibilité et la même flexibilité que les voitures conventionnelles.
- Les véhicules à hydrogène ont une autonomie similaire à celle des voitures électriques équipées de très grandes batteries de stockage. Un plein d’hydrogène suffit à la BMW iX5 Hydrogen pour parcourir 504 kilomètres (selon la norme WLTP (➜ Lire aussi : Qu’est-ce que la norme WLTP ?)). L’autonomie des véhicules à hydrogène ne dépend pas de la température extérieure et n’est donc pas entravée en hiver.
- Les véhicules à hydrogène peuvent par ailleurs contribuer à développer les infrastructures afin de répondre à la demande croissante de stations de recharge électrique pour tous les BEV. L’hydrogène est en outre l’un des moyens les plus efficaces de stocker et de transporter les énergies renouvelables, et a donc un rôle important à jouer dans l’approvisionnement en énergie de demain.
- Les FCEV utilisent la même chaîne de traction électrique que les BEV, mais se distinguent par la manière dont ils stockent l’énergie. La commercialisation de voitures à hydrogène profitera donc à la fois aux technologies des piles à combustible et des batteries, ce qui entraînera une diminution des coûts à long terme.
Le potentiel : le plein d’hydrogène se fait au moyen de pompes spécifiques et cette infrastructure ne cesse de s’étendre au niveau international. Des études menées pour l’Allemagne montrent qu’une infrastructure combinant des stations de recharge électrique et d’hydrogène est globalement plus avantageuse qu’une infrastructure de recharge purement électrique. Les constructeurs automobiles tels que BMW se sont associés à des fournisseurs d’hydrogène et à des exploitants de stations-service dans le cadre de l’initiative Clean Energy Partnership afin de promouvoir le développement de cette infrastructure. En Allemagne, la planification et l’exploitation des stations-service d’hydrogène sont assurées par H2 MOBILITY.
Combien coûte un véhicule à hydrogène, et pourquoi ?
Les quelques modèles à pile à combustible déjà disponibles sur le marché sont (pour l’instant) plus chers que les voitures électriques équivalentes équipées d’une batterie ou d’un moteur à combustion.
Plusieurs raisons expliquent le prix encore élevé des voitures à hydrogène à l’heure actuelle. Outre l’absence d’industrialisation de la production, la quantité de platine nécessaire joue également un rôle. Ce métal noble sert de catalyseur lors de la production d’électricité. La quantité de platine nécessaire pour produire les piles à combustible des véhicules a toutefois déjà pu être fortement réduite. Le recyclage des catalyseurs permet en outre de réintroduire une quantité croissante de platine dans le cycle des matériaux. Le nombre limité de pièces explique aussi (temporairement) le coût élevé de ces véhicules. On peut effectivement s’attendre à des effets de volume, dans la mesure où l’utilisation de la technologie de l’hydrogène est très similaire pour de nombreuses applications, notamment pour les véhicules utilitaires, les trains, les avions ou même les applications stationnaires industrielles. Les FCEV sont par ailleurs plus économes en matières premières que les BEV.
Outre les coûts d’acquisition du véhicule, il faut également prendre en compte ses coûts d’exploitation, qui jouent eux aussi un rôle important en matière de rentabilité et d’acceptation d’une technologie de motorisation. Dans le cas d’une voiture à hydrogène, ceux-ci dépendent notamment du prix du carburant. Actuellement, un kilo d’hydrogène coûte environ 14 euros. Un kilo d’hydrogène permet à une voiture de rouler sur 100 kilomètres. Le coût kilométrique d’une voiture à hydrogène est donc actuellement à peu près équivalent à celui d’une voiture à moteur thermique. Si la production d’hydrogène augmente au niveau international, ce qui est actuellement prévisible, il est fort possible qu’en Allemagne, le prix du kilogramme d’hydrogène baisse pour atteindre environ 4 à 6 euros d’ici 2030.
Dans quelle mesure la propulsion à l’hydrogène est-elle non polluante et durable ?
L’idéal écologique serait une voiture qui ne roule qu’avec des énergies renouvelables sans produire d’émissions nocives. Dans quelle mesure la voiture à pile à combustible s’approche-t-elle de cet objectif comparée à d’autres types de propulsion ?
- Les motorisations alternatives sont censées, conformément à la loi, réduire les émissions de polluants, en particulier de CO2, responsable du dérèglement climatique, mais aussi de gaz nocifs pour la santé comme les oxydes d’azote. Les gaz d’échappement d’une voiture à hydrogène sont composés exclusivement de vapeur d’eau. Le moteur à pile à combustible ne produit donc pas d’émissions locales et contribue ainsi à garantir la qualité de l’air dans les villes. Mais préserve-t-il pour autant le climat ?
- Tout dépend des conditions de production de l’hydrogène qui nécessite de l’énergie électrique. Le courant électrique dissocie, au cours du processus d’électrolyse, les composants de l’eau que sont l’hydrogène et l’oxygène. Si l’électricité utilisée est issue d’énergies renouvelables, la production d’hydrogène présente un bilan carbone neutre. En revanche, lorsque des combustibles fossiles sont utilisés, la voiture à hydrogène voit son bilan carbone se dégrader. Le mix électrique utilisé joue donc un rôle déterminant dans l’ampleur de cet effet. Sur ce point, la voiture à hydrogène ne se distingue pas des autres véhicules électriques.
- La production d’hydrogène présente l’inconvénient d’entraîner des pertes lors de l’électrolyse. Le rendement de l’ensemble de la chaîne énergétique, de la production de l’électricité au fonctionnement du véhicule, est pour l’instant deux fois moins élevé que celui d’un BEV. Néanmoins, les FCEV et les BEV présentent des valeurs proches si l’on considère l’ensemble de leur cycle de vie.
- L’hydrogène peut toutefois être produit à des moments où l’offre d’électricité issue de sources d’énergie renouvelables est excédentaire, car l’énergie éolienne ou solaire actuellement produite n’est pas utilisée par ailleurs. Une telle situation recèle un énorme potentiel. De nombreux processus industriels produisent également de l’hydrogène sous forme de sous-produit. Or, celui-ci est trop souvent traité comme un déchet et reste donc inutilisé. Les moteurs à pile à combustible ouvrent ici alors la voie à un recyclage de l’hydrogène. La production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles offre en outre la possibilité de stocker le CO2 généré (« Carbon Capture and Storage ») ou même de l’utiliser (« Carbon Capture and Utilization »). On parle alors d’hydrogène « bleu ».
- Le bilan énergétiquedes voitures à pile à combustible implique également le transport et le stockage de l’hydrogène. Les coûts de compression, de refroidissement, de transport et de stockage varient selon la technologie de transport utilisée (liquide ou gazeux). Néanmoins, le transport et le stockage de l’hydrogène exigent beaucoup plus de moyens et donc d’énergie que l’essence ou le diesel. Mais contrairement aux combustibles fossiles, l’hydrogène peut être produit partout où l’électricité et l’eau sont accessibles. La production peut même avoir lieu directement dans les stations-service, comme en témoignent les exemples d’Anvers (Belgique) et de Fürholzen (Allemagne). Le développement de l’infrastructure pourrait donc, à l’avenir, réduire considérablement les distances de transport.
Conclusion : le moteur à hydrogène pourrait être la source d’une mobilité écologique et durable. La condition préalable est toutefois notamment l’utilisation d’énergies renouvelables pour la production de l’hydrogène ainsi qu’un développement de l’infrastructure technique visant à réduire les distances de transport.
Quels sont les risques du moteur à hydrogène pour voiture ?
Que se passe-t-il quand de l’hydrogène réagit de manière incontrôlée avec de l’oxygène ? Beaucoup d’entre nous se souviennent encore des cours de chimie : la réaction provoque une explosion. L’hydrogène est donc inflammable. Afin d’éviter une réaction incontrôlée de l’hydrogène et de l’oxygène lors du fonctionnement d’une voiture à pile à combustible, l’hydrogène est stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs à parois épaisses, particulièrement sûrs. De nombreux crash-tests ont confirmé la fiabilité de cette structure : les réservoirs n’ont pas été endommagés et aucune fuite d’hydrogène n’a été constatée.
N’oublions pas également que la technologie de l’hydrogène n’est pas nouvelle, mais qu’elle a fait ses preuves depuis longtemps dans de nombreux domaines. Ainsi, les raffineries utilisent d’ores et déjà de grandes quantités d’hydrogène pour leurs processus de traitement du pétrole brut. Les pipelines et des réservoirs d’hydrogène sont également exploités depuis de nombreuses années. Comme toujours chez BMW, la sécurité passe avant tout. Les véhicules à hydrogène satisfont aux mêmes normes de sécurité élevées que tous les autres véhicules du groupe.
Quel rôle jouera le moteur à hydrogène à l’avenir ?
BMW est convaincu que l’hydrogène, en complément des véhicules à batterie, a un rôle moteur croissant à jouer dans la mobilité durable. À condition que l’infrastructure d’hydrogène appropriée existe, que le prix de l’hydrogène soit avantageux et que celui des véhicules diminue. Dans pareil cas, les véhicules roulant à l’hydrogène pourront devenir la technologie ne produisant pas d’émissions qui permet à ses utilisateurs de conserver leurs habitudes en matière de conduite flexible. Il convient de préciser que BMW conçoit les FCEV comme complémentaires aux voitures électriques à batterie. Il n’est aucunement question de concurrence. Par ailleurs, le FCEV peut constituer une solution adaptée aux automobilistes qui se déplacent beaucoup et pour lesquels la flexibilité est un critère essentiel. L’utilisation de la technologie de l’hydrogène dans la production et la logistique est également à l’étude chez BMW.
Une conviction que partage le Conseil de l’hydrogène, une initiative internationale de membres issus de grandes entreprises du secteur de l’énergie, des transports et de l’industrie. Il estime que l’hydrogène sera, à l’avenir, non seulement une source de propulsion durable pour les véhicules, mais aussi un vecteur d’énergie propre pour le chauffage, l’électricité et l’industrie.
Selon un rapport de l’AIE (Agence internationale de l’énergie), l’hydrogène est un vecteur énergétique d’avenir à fort potentiel pour les activités internationales liées à la transition énergétique. Du fait de sa capacité de stockage et de transport, l’hydrogène peut en effet se prêter aux applications les plus diverses.
Perspectives : le choix appartient au client
C’est un fait, les besoins et les souhaits des automobilistes en matière de mobilité sont très variés. Comme le souligne Oliver Zipse, Président du Directoire de BMW AG : « Les questions suivantes sont au cœur de nos préoccupations : quelles motorisations et quelles technologies nos clients désireront-ils à l’avenir ? Et comment pouvons-nous œuvrer au mieux pour la protection du climat ? »
BMW y répond en se montrant ouvert aux technologies des différents concepts de propulsion et, à ce titre, l’hydrogène, source d’énergie polyvalente, jouera un rôle clé dans la transition énergétique. Olivier Zipse ajoute : « Nous devrions exploiter le potentiel de l’hydrogène pour accélérer la transformation du secteur de la mobilité. L’hydrogène est la pièce manquante du puzzle de la mobilité sans émissions locales. Une technologie à elle seule ne suffira pas à permettre une mobilité climatiquement neutre dans le monde entier. »
Auteure : Nils Arnold ; Art : Lucas Lemuth ; Illustrations : Cyprian Lothringer ; Photos : BMW
