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Hydrogène

L'hydrogène : Existe aussi sans pile à combustible

A condition de produire un véritable « hydrogène vert », ce gaz peut devenir une alternative intéressante sur le plan environnemental. Aujourd’hui, « véhicule hydrogène » est devenu synonyme de pile à combustible. Or il existe une autre voie. L’hydrogène ne demande qu’à être le carburant d’un moteur « essence » qui, en l’utilisant, ne rejette pas de CO2, mais de l’eau !

 

La pile à combustible (PàC) fonctionnant à l’hydrogène est un dispositif très simple dans son principe, mais difficile à industrialiser lorsqu’il faut garantir une durée de vie de l’ordre de 25000 heures, nécessaire à un véhicule lourd. Daimler et le groupe Volvo se sont associés pour relever ce défi ensemble, peut-être après y avoir été incités par Geely, leur actionnaire commun. La course vers la PàC ressemble à une fuite en avant technologique et à un oubli de l’histoire. Au début du XIXe siècle, les premiers moteurs à combustion interne fonctionnaient à l’hydrogène ! Techniquement, un moteur hydrogène est proche d’un moteur fonctionnant au méthane (GNV). Comme un moteur « essence », ces moteurs gaz sont généralement « à allumage commandé ». Ils sont donc munis de bougies d’allumage. Cette technologie est bien connue et il est regrettable qu’elle soit négligée.

Le moteur hydrogène n’a pas besoin d’un hydrogène pur

 

Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène en font un bon candidat pour une utilisation dans un moteur. Combiné à l'oxygène ambiant, la combustion de l'hydrogène produit essentiellement de l'eau, de la chaleur et des oxydes d'azote (NOx) à capturer par dépollution. Un tel moteur devra exploiter la capacité de l’hydrogène à brûler rapidement en mélange très pauvre afin d’obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx.

 

En s’appuyant sur des outils industriels existants, le moteur thermique hydrogène apporte une solution de mobilité qui peut être mise en œuvre à court terme et à moindre coût. Reste évidemment l’épineux problème de l’approvisionnement en hydrogène, problème partagé avec les solutions fondées sur des PàC. Et sur ce point, le moteur a un avantage. Alors qu’une PàC nécessite un hydrogène pur pour éviter sa dégradation prématurée, un moteur hydrogène s’accommode d’un hydrogène isolé avec moins de rigueur, ce qui réduit le coût de sa purification et permet de l’odoriser.

 

Plus simple et moins cher qu’une pile à combustible

 

Le prix d’un véhicule équipé d’un moteur thermique fonctionnant à l’hydrogène devrait être proche de celui d’un véhicule GNV. Il s’en distingue par un moteur adapté, par des réservoirs conçus pour 350 bars au lieu de 200 bars avec le méthane, et par l’installation de détecteurs d’hydrogène afin de limiter les conséquences d’une fuite. Produit en petite série, ce véhicule avec moteur hydrogène est, au minimum, deux fois moins cher qu’un véhicule avec PàC.

 

Sur le lieu de circulation, un moteur hydrogène fait le même bruit qu’un moteur GNV, il est donc moins bruyant qu’un diesel. L’argument du bruit est le seul en faveur de la PàC qui se montre plus silencieuse, mais au prix d’une complexité, d’un prix, d’une masse et d’une longévité qui apparaissent rédhibitoires à beaucoup. Rappelons que la pile à combustible recharge une batterie qui à son tour alimente un moteur de traction. Le véhicule hydrogène avec PàC cumule donc les contraintes des véhicules hydrogène et celles des véhicules électriques.

 

Une recherche relancée

 

Depuis 2019, L’Institut français du pétrole et des énergies nouvelles (IFPEN) travaille avec des industriels sur les deux solutions de mobilité hydrogène : PàC et injection directe dans un moteur thermique. L’IFPEN s’est doté d’un banc d’essai dédié afin d’accélérer ses travaux dans le domaine du moteur à combustion hydrogène. L’institut a choisi des solutions technologiques (mélange pauvre dérivé des technologies essence, injection directe, suralimentation) qui apportent à la fois un très haut rendement et de très faibles émissions d’oxydes d’azote (NOx). « Notre ambition est de nous rapprocher des 50 % de rendement et de devenir un acteur de référence dans le domaine de la combustion hydrogène en nous appuyant sur nos nouveaux moyens d’essais » déclare Florence Duffour, cheffe du projet motorisations hydrogène au sein d’IFPEN.

 

Des poids lourds avec moteurs hydrogène vers 2023

 

« Le déploiement du moteur thermique hydrogène contribuera à accélérer la transition énergétique dans les transports, en particulier en longue distance. Nous estimons que des prototypes intégrant un moteur à combustion hydrogène devraient voir le jour à horizon 2022-2023 » commente Bertrand Gatellier, responsable du programme motorisations et systèmes au sein de l’IFPEN.

 

 

Pressions impressionnantes

 

Cécile Barrère-Tricca, Cheffe de l’établissement d’IFPEN-Lyon rappelle que « la combustion d’un kilo d'hydrogène libère environ trois fois plus d'énergie que celle d'un kilo d'essence. En revanche, l’hydrogène occupe, à masse égale, beaucoup plus de volume que tout autre gaz. Pour produire autant d'énergie qu'un litre d'essence, il faut entre 6,4 et 7 litres d'hydrogène comprimé à 700 bars. » Ce volume est multiplié par deux sur les poids lourds pour lesquels la pression prévue est limitée à 350 bars. Quant à l’hydrogène liquéfié, il exige des températures extrêmement basses (-253°C). Son coût le réserve à certains domaines comme le spatial.

 

L’intérêt environnemental de l’hydrogène dépend à la fois de son mode d’obtention et du rendement de son utilisation. Sur ce second point, l’emploi de l’hydrogène par un moteur à explosion est plus intéressant que le recours à une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène.

 

La vignette Crit’Air verte, sans la motorisation électrique

 

Comme un moteur GNV, un moteur hydrogène émet quelques particules qui proviennent de la combustion de son huile. C’était tolérable avec les premiers steps Euro VI, mais ça ne le sera plus avec Euro VI step E phase 2 et a fortiori avec Euro VII. Ces normes imposeront le filtre à particules et la dépollution par réduction catalytique (SCR) aux moteurs gaz qui s’en passaient jusqu’à maintenant. En termes de bruit et de pollution sur le lieu de circulation, un moteur fonctionnant à l’hydrogène vert présentera un bilan peu différent de celui d’un moteur GNV fonctionnant au biométhane, celui-ci conservant un léger avantage. En revanche, le décalage est net en termes de TCO (coût total de possession). Sans surprise, le moteur hydrogène est plus avantageux qu’un système avec PàC en matière de TCO et d’indépendance technologique, mais il revient beaucoup plus cher que la solution biométhane. Celle-ci reste la meilleure quant au bilan environnemental global.

 

L’arrêté du 21 juin 2016 qui met en place les vignettes Crit’Air accorde la vignette verte (« Crit’Air 0 ») aux véhicules électriques et hydrogène sans en préciser le mode d’utilisation. Si l’on suit ce texte à la lettre, un car ou un bus équipé d’un moteur hydrogène profite du meilleur niveau de vignette Crit’Air tandis que le GNV se contente de la vignette Crit’Air 1 même lorsqu’il roule au biométhane. La mise en place des ZFE crée le marché pour les véhicules les moins contraints par leurs vignettes Crit’Air.

 

Loïc Fieux.

L’hydrogène, sa faible efficacité restreint son potentiel
 

L’hydrogène est aujourd’hui développé dans des applications industrielles (production d’ammoniac pour les engrais, raffinage des carburants pétroliers, chimie), mais encore très peu pour le secteur des transports. Dans le monde et en France, 94 % de la production de l’hydrogène repose actuellement sur les énergies fossiles par le vaporeformage de gaz naturel, l’oxydation d’hydrocarbures liquides ou la gazéification de charbon. On peut également produire de l’hydrogène par gazéification ou thermolyse de biomasse, ou par électrolyse de l’eau, procédé le plus prometteur d’un point de vue environnemental.

L’hydrogène s’utilise dans un véhicule, soit comme combustible dans un moteur à hydrogène à combustion interne, soit, de manière plus efficace, en le retransformant en électricité via une pile à combustible, pour faire fonctionner un moteur électrique, technologie généralement préférée. Ainsi la mobilité hydrogène peut se rapprocher de la mobilité électrique, aussi bien pour l’utilisation d’électricité pour l’électrolyse que par l’utilisation dans le moteur électrique.

Seulement, les transformations successives engendrent des pertes d’énergie, lui assurant un moindre rendement énergétique : rendement généralement autour de 70-85 % pour l’électrolyse, puis 70-90 % pour la compression, le stockage, le transport et la distribution de l’hydrogène produit, puis une fourchette de rendement de 30-70 % dans la pile à combustible, avant que l’électricité soit utilisée dans le moteur électrique.
 

Selon la valeur retenue pour chacune de ces trois étapes, le rendement total depuis l’électricité jusqu’au moteur se situe entre 15 et 54 %. Si des progrès pourraient être faits à l’avenir pour optimiser ce rendement, une étude de T&E de 2018 considère qu’au total il faut de l’ordre de 2,5 à 3 fois plus d’électricité pour un véhicule hydrogène que pour un véhicule électrique. L’étude considère ainsi que décarboner les transports terrestres en Europe via les véhicules électriques nécessiterait de l’ordre de 43 % de l’électricité produite en 2015 en Europe, et 108 % dans le cas de véhicules à hydrogène.

Des chiffres qui pourraient encore augmenter en considérant la navigation et l’aérien. Lorsque cela est possible et notamment pour les véhicules les plus légers, il est donc préférable d’utiliser des véhicules électriques. Mais l’hydrogène possède l’avantage de ne pas nécessiter de batteries, ainsi d’éviter les longs temps de recharge et l’autonomie limitée, tout en permettant un stockage de l’énergie que ne permet pas facilement la production d’électricité.

En termes d’émissions de gaz à effet de serre, les bénéfices sont peu importants si l’hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles. Dans le cas le plus favorable du vaporeformage de gaz fossile, les baisses d’émissions apparaissent de l’ordre de -40 % du puits à la roue, et de l’ordre de -20 à -35 % en analyse de cycle de vie du véhicule.

à partir de l’électrolyse de l’eau, il n’y a pas ou que peu d’intérêt avec le mix électrique européen moyen. En revanche, les bénéfices sont bien plus importants dans le cas d’une électrolyse à partir d’électricité décarbonée. Le bilan en analyse de cycle de vie se rapproche alors de celui de la voiture électrique en France, atteignant des émissions environ 3 fois moindres que l’équivalent thermique.

 

Repeindre l’hydrogène en vert
 

Ces chiffres montrent l’importance de décarboner la production de l’hydrogène avant d’en développer fortement l’usage, l’objectif français étant d’atteindre 10 % d’hydrogène décarboné dans l’hydrogène industriel d’ici 2023, et 20 à 40 % d’ici 2028. Sans cela, le développement de la mobilité hydrogène pourrait ne pas présenter d’intérêt environnemental important, et créer une filière qui restera dépendante aux énergies fossiles si les développements de l’électrolyse sont insuffisants.

Le coût de la filière hydrogène est aujourd’hui plus élevé que celles du thermique et de l’électrique. Cela est vrai pour l’achat des véhicules, notamment en raison de la faiblesse de l’offre et des volumes vendus, le parc mondial étant 250 fois moins important fin 2019 que celui des véhicules électriques. C’est également valable pour la production de l’énergie, l’hydrogène étant de l’ordre de deux fois plus cher lorsqu’il est produit à partir de l’électrolyse de l’eau qu’à partir de vaporeformage de gaz.

Au total, le ministère de la transition écologique et solidaire estime que le coût total de possession est de l’ordre de 20 à 50 % plus élevé que l’équivalent thermique, tandis que Deloitte et Ballard estime le surcoût entre 40 et 90 % au niveau mondial en 2019. Cependant, selon cette dernière étude, le coût devrait être quasiment divisé par deux pour l’hydrogène et atteindre la parité avec les véhicules thermiques autour de 2027. Le ministère prévoit aussi une division par deux d’ici 2028 pour le coût de la production d’hydrogène décarboné, pour atteindre un coût de l’énergie similaire à celui du diesel

En raison de la consommation d’électricité que cela entraîne, l’hydrogène devra être priorisé sur les modes et les véhicules les plus difficiles à décarboner autrement. Cela pourra concerner notamment les véhicules terrestres lourds, tels que les poids-lourds qui seront difficiles à électrifier, ou également pour remplacer les trains diesel. Les politiques publiques devront accompagner cette transformation dans un premier temps sur la décarbonation de la production et les expérimentations, puis en encourageant ensuite l’achat des véhicules et les stations d’avitaillement fournies par de l’hydrogène décarboné.

 

Enfin, l’hydrogène peut également servir pour produire des carburants de synthèse par combinaison avec du CO2, qu’il faut pouvoir capter en sortie de centrales thermiques ou directement dans l’atmosphère. Cette combinaison peut permettre de produire du gaz de synthèse (par méthanation, ou power-to-gas), ou du carburant liquide (power-to-liquid).

Ce dernier carburant présente l’avantage de convenir aux véhicules actuels et de remplacer le pétrole, notamment pour des modes très difficiles à décarboner tels que l’aérien ou le maritime. Mais cette nouvelle étape de transformation entraîne des pertes supplémentaires d’énergie et représente des coûts importants.

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