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L'hydrogène a-t-il un avenir comme carburant automobile ?

Taxi Hype hydrogène Paris
La France croit à l'hydrogène et vient de donner, entre autres, à l'ADEME une enveloppe de 100 millions d'euros pour que soient lancées rapidement des expérimentations de production d'hydrogène par électrolyse à partir d'énergies renouvelables.

Les voitures « à hydrogène » ont fait des progrès considérables. Mais la fabrication et la distribution de l'hydrogène restent problématiques. Les avancées récentes dans ces domaines suffiront-elles à assurer le décollage de ce carburant qui a déjà permis la conquête spatiale ?

Après la Toyota Mirai et la Honda Clarity Fuel Cell qui ont déjà démontré les qualités des véhicules électriques à pile à combustible (agrément de conduite, zéro pollution, ravitaillement rapide), le Hyundai Nexo ajoute la touche de sex-appeal qui jusqu'alors faisait défaut.

Alors, qu’est-ce qui empêche encore cette technologie de s’imposer ?  La première réponse tient en un seul chiffre : 72 000 € pour le dernier modèle Hyundai… Prohibitif ! Mais l’effet d’échelle, la réduction des métaux précieux (platine) dans les piles à combustible et l’accroissement de leur longévité devraient faire baisser les tarifs pour les ramener au niveau de ceux d’un véhicule thermique équivalent au tournant de la décennie. C’est du moins ce que nous promettent les constructeurs automobiles…

Hyundai NexoLe Hyundai Nexo est le dernier véhicule à hydrogène commercialisé. Malgré l'intérêt des constructeurs les nouveautés ne se bousculent pas. Il n'y en a même pas une par an !

Les professionnels du secteur affirment également que l’horizon s’éclaircit en ce qui concerne la production, car contrairement à ce que beaucoup croient, l’hydrogène consommé aujourd’hui n’est pas si propre que cela.

 

Encore trop d’hydrogène « sale »

L’hydrogène est le principal composant de l'univers. Il est donc disponible en quantité illimitée. Seul problème : ce carburant « miracle » n'existe pas, tel quel (ou presque), dans la nature. Il est systématiquement associé à d'autres éléments comme, par exemple, l'oxygène dans la composition de l'eau (H2O). Il faut donc l’extraire.

Production hydrogÚne

Aujourd'hui, l'hydrogène est produit de façon industrielle à partir du gaz naturel. C'est une solution économique (2 €/kg) mais qui rejette de grandes quantités de CO2.

Encore aujourd’hui, la production d'hydrogène se fait très majoritairement (95 %) à partir de ressources fossiles et principalement par vaporeformage du gaz naturel. L’inconvénient c’est que cette technique libère de grandes quantités de gaz à effet de serre. La fabrication d'un kg d'hydrogène produit en effet 10 kg de CO2 ! En d’autres termes, un Hyundai Nexo qui consomme 1 kg/100 km d’hydrogène émet, du puits à la roue, l’équivalent de 100 g/km de CO2. Aucun intérêt écologique même si les producteurs d’hydrogène prétendent pouvoir séquestrer une partie du CO2 émis lors de la transformation.

 

L’hydrogène « propre » coûte cher en énergie

Pour qu’un véhicule à pile à combustible ait du sens au niveau environnemental, il faut l’alimenter avec de l’hydrogène « vert ». Celui que nous connaissons tous est produit par l'électrolyse de l'eau. Nous l'avons expérimenté à l'école. En faisant circuler un courant dans de l’eau on obtient une réaction chimique qui provoque un dégagement gazeux d'hydrogène à la cathode (-) et d'oxygène à l'anode (+). Avec cette méthode de production, le bilan carbone est faible si l’électricité est issue de sources renouvelables.

Unité d'électrolyse industrielle
Il existe des systèmes d'électrolyse industriels qui permettent de faire de l'hydrogène « vert ». Mais les coûts de fabrication et de transport sont importants. Il est plus écologique de produire le gaz sur place à partir d'énergies renouvelables

Avec des procédés d’électrolyse industrielle, il faut aujourd’hui 1 l d’eau et 5 kWh d’électricité pour fabriquer 1 000 l d’hydrogène sous forme de gaz à la pression atmosphérique. Il faut ensuite comprimer ce gaz à 700 bars pour une utilisation automobile. Puis convertir cet hydrogène en électricité grâce à la pile à combustible (rendement 60 % sur le Nexo). Au final, il ne reste plus que 1,53 kWh sur les 5 kWh d’électricité initiale.

... qui est rejetée à l'échappement
La pile à combustible combine l'hydrogène à l'oxygène contenu dans l'air pour fabriquer de l'électricité et de l'eau...
... L'eau est l'unique résidu qui est rejeté à l'échappement. Avec un véhicule à PAC il n'y a donc pas d'émission de gaz à effet de serre
... L'eau est l'unique résidu qui est rejeté à l'échappement. Avec un véhicule à PAC il n'y a donc pas d'émission de gaz à effet de serre

Le rendement est 2,5 fois moins bon que celui d’une batterie. L’électrolyse a toutefois fait de gros progrès ces dernières années. En France le CEA-Liten (Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux) a mis au point un système à haute température (700 °C) dont le rendement est supérieur à 90 %.

Par rapport à notre calcul précédent, avec ce type d’installation, on pourrait utiliser 2 kWh dans un véhicule sur les 5 kWh d’électricité initiale. C’est toujours moins bon que notre batterie mais cela devient intéressant si l’électricité de base est « gratuite ».

 

L’hydrogène pour stocker l’électricité renouvelable

Le problème de l’électricité solaire ou éolienne c’est qu’elle n’est pas forcément disponible quand on en a besoin et inversement. L’idéal est donc de pouvoir la stocker. C’est là que l’hydrogène entre en scène. Grâce aux progrès des électrolyseurs, on peut désormais produire de l’hydrogène « écologique » à un coût acceptable. Avec ces nouvelles technologies, on passerait ainsi de 18,3 €/kg à l’heure actuelle à 6,1 €/kg pour de l’hydrogène éolien stocké sur place. Pour le solaire, le coût pourrait être de 10,5 €/kg en considérant que l’énergie de départ est excédentaire, c’est-à-dire gratuite ! Pour être franc, personne ne sait réellement où se situe la réalité mais une chose est sûre, l’hydrogène « vert », même trois fois moins cher à produire, sera toujours beaucoup plus cher pour l’automobiliste que l’électricité stockée dans une batterie.

 

L’hydrogène reste un casse-tête à distribuer

Remplissage réservoir hydrogÚne
Le carburant hydrogène est délivré sous une pression de 700 bars, ce qui impose d'infinies précautions pour ravitailler.
Le plein se fait aussi rapidement que pour une voiture GPL. Mais une pompe d'hydrogène coûte 1 million d'euros !

Même si la filière a fait de gros progrès, imaginer que les particuliers pourront rouler demain à l’hydrogène est parfaitement utopique car le problème de sa distribution est presque insurmontable. Son transport reste problématique à cause de sa très faible densité volumique
(0,09 kg/m3). Pour obtenir l’équivalent énergétique d’un camion-citerne d’essence il faut 22 camions identiques d’hydrogène à
200 bars
(le mode de transport routier le plus fréquent) ou 3 camions-citernes d’hydrogène liquéfié (3,5 t d’hydrogène liquide). De plus, pour les bonbonnes à 200 bars, on ne livre que 80 % du contenu de la citerne. Imaginez le nombre de camions qu’il faudrait sur les routes pour desservir un réseau de stations-services ?

Stations Uno X
Il faut 22 camions comme celui-ci pour transporter l'équivalent énergétique d'une citerne d'essence !
En Norvège, dans les stations Uno X, le kilo d'hydrogène est facturé 90 couronnes norvégiennes, soit 9,50 euros.

C’est le même problème si l’on imagine un réseau de gazoducs. Comme il faut comprimer le gaz pour l’injecter dans le réseau, la dépense de transport sera au moins trois fois plus importante, en proportion de l’énergie restituée, pour l’hydrogène que pour le méthane.

Économiquement et écologiquement parlant, la seule solution viable est donc la production d’hydrogène in situ. C’est ce que font beaucoup de stations implantées en Europe, mais elles ne fabriquent pas forcement l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables ! Celles qui y parviennent, comme les stations du réseau Uno-X en Norvège et au Danemark vendent le kilo d’hydrogène aux alentours de 10 €, sans taxes et avec une rentabilité nulle. L’électricité la plus chère du monde est meilleur marché !

Le coût d’une pompe avoisine également un million d’euros. Cher par rapport à borne de charge ultrarapide (350 kW) de 50 000 €. Quant à installer des stations-service à proximité des champs d’éoliennes, il n’est pas certain que la demande de carburant hydrogène soit très forte à ces endroits !

 

L’hydrogène ne s’adresse pas aux particuliers

Même si la voiture à hydrogène en fait rêver certains, c’est avant tout un véhicule destiné aux flottes. C’est d’ailleurs ce que prévoit le plan hydrogène récemment dévoilé par le gouvernement. Son ambition est de faire circuler de 20 000 à 50 000 véhicules utilitaires légers et de 800 à 2 000 véhicules lourds, alimentés par 400 à 1 000 stations produisant l’hydrogène localement, à l’horizon 2028. Soit, au mieux, 0,12 % du parc roulant français…

 

Bilan

Si l’hydrogène a gagné en crédibilité en tant que vecteur de stockage des énergies renouvelables, son avenir en tant que carburant automobile est encore une chimère. Sa production « vertueuse » est toujours trop onéreuse. Il reste difficile à stocker, transporter ou distribuer. Enfin, il
« consomme » de 50 à 75 % de l’énergie initiale (électricité). À part pour des opérations locales « sponsorisées », la voiture à hydrogène « pour tous » n’est encore pas pour demain. Et ça fait 25 ans que nous l’écrivons !

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