Comment fonctionnent les voitures à hydrogène ?

Rémi Bligny et Robin Vivian

Rémi Bligny, Laboratoire LEMTA Université de Lorraine
Robin Vivian, Laboratoire Perseus Université de Lorraine

Vous souhaitez remiser votre moteur thermique ? Entre vélo, trottinette, voiture électrique ou hydrogène, les alternatives pour nos nouvelles mobilités ne manquent pas… même si les véhicules électriques sont encore aujourd’hui contraints par l’autonomie des batteries – distance limitée, temps de recharge important.

Dans cette offre grandissante de déplacements alternatifs, intéressons-nous plus spécifiquement aux technologies hydrogène. Ces dernières s’intègrent en fait dans des véhicules qui ont un moteur électrique – pas d’essence ou de diesel dans le réservoir – mais avec un rayon de déplacement et un temps de recharge similaire à ce que nous connaissons avec nos moteurs traditionnels.

La propulsion à hydrogène est-elle une technologie nouvelle ?

La « pile à combustible » constitue le cœur d’une voiture hydrogène ; elle permet de transformer un combustible, comme de l’hydrogène, en électricité et en eau grâce à de l’oxygène. Dans la pile, une réaction d’oxydoréduction se produit permettant de créer l’électricité. Au niveau de l’anode, la molécule d’hydrogène, au contact d’un catalyseur, se décompose et libère protons et électrons qui vont créer le courant électrique. Côté cathode, l’eau est produite grâce à l’oxygène, aux protons et aux électrons.

Alors que cet effet a été découvert par William Grove en 1839, il n’a que peu intéressé les constructeurs d’automobiles pendant presque deux siècles : l’hydrogène est longtemps resté difficile à stocker, nécessairement sous pression (700 bars), et donc à transporter.

En 1994, Chrysler reprend le concept et développe un premier prototype. En 2005, Mercedes propose la première voiture à hydrogène de série : la Classe B F-Cell (pour fuel cell, en anglais). En 2006, BMW présente une voiture fonctionnant avec un moteur à hydrogène au salon automobile de Los Angeles sous l’appellation BMW Hydrogen 7. Fabriquée à 100 exemplaires seulement et proposée uniquement à la location, BMW abandonnera deux ans plus tard la technologie du moteur à combustion utilisant l’hydrogène (le développement du réseau de distribution ne permettait pas d’envisager une exploitation à grande échelle de cette technologie). En 2008, Mazda exporte la RX-8 Hydrogen RE (de l’hydrogène dans un moteur rotatif) en Norvège. Ce moteur présente la particularité de fonctionner aussi bien à l’hydrogène qu’à l’essence. Mazda annonce 210 chevaux lorsque son moteur est alimenté à l’essence et 110 chevaux lorsque ce dernier carbure à l’hydrogène.

La tendance actuelle, à l’exception de Mazda, n’est plus de développer un moteur thermique utilisant l’hydrogène comme combustible mais d’utiliser ce carburant pour produire l’énergie nécessaire à alimenter un moteur électrique.

Les projets de développement se multiplient pour des véhicules légers comme la Toyota Mirai, les utilitaires Kangoo et Master Z.E. Hydrogen de Renault, le SUV BMW I Hydrogène, mais aussi les bus, avec par exemple la ligne entre Jouy-en-Josas et Versailles inaugurée en 2019(1), ou encore des poids lourds, avec le Xcient Fuel Cell de Hyundai prévu pour 2025(2).

Le véhicule à hydrogène connaît des contraintes d’autonomie similaires à celles d’un véhicule essence ou diesel : on peut faire 500 km avec un plein. Ensuite, on passe à la pompe, avec un temps de remplissage inférieur à cinq minutes. Avec un tarif compris entre 10 et 15 € le kilo (l’hydrogène se mesure en kilos) et une consommation de 1 kg/100 km, il faut compter entre 50 € et 70 € pour remplir son réservoir(3).

Comment fonctionne une voiture à hydrogène ?

L’utilisation de l’hydrogène dans le secteur automobile est une alternative prometteuse aux hydrocarbures pour réduire les émissions des gaz à effet de serre, puisque la pile à combustible ne rejette que de l’eau lors de son fonctionnement.

Mais comment transforme-t-on de l’hydrogène en électricité ? Vous souvenez-vous de vos cours de chimie du lycée et de l’expérience de l’électrolyse de l’eau ? Celle qui, grâce à une alimentation électrique continue, deux électrodes et une solution saline permettait d’obtenir du dihydrogène et du dioxygène dans des éprouvettes ?

Dans une voiture à hydrogène, il s’agit de la même opération… mais dans l’autre sens et avec des réactions chimiques légèrement différentes. On prend de l’hydrogène et de l’oxygène, on crée un courant électrique et on rejette de l’eau. Si le principe s’énonce simplement, son développement technologique demeure cependant complexe.

Principe de la production d’électricité à partir de l’hydrogène

On l’a vu, l’architecture de la voiture à hydrogène est centrée autour de la pile à combustible. Ce n’est pas un moteur, mais un convertisseur d’énergie. Grâce à de l’énergie chimique fournie par le combustible, la pile va produire de l’électricité qui sera ensuite utilisée dans un circuit électrique extérieur : un moteur électrique, une batterie.

L’hydrogène permet en fait d’augmenter considérablement l’autonomie de véhicules électriques, grâce aux piles à combustible, en remplacement ou bien en complément des batteries.

 Fonctionnement d’une pile PEMfc (acide)
Fonctionnement d'une pile à combustible dite « à membrane échangeuse de protons » (PEMFC) : l’hydrogène et l’oxygène se combinent, et l’eau sort de la pile. (©Connaissance des Énergies)

Différentes technologies de piles à combustible existent : le combustible en question peut être de l’hydrogène, bien sûr, mais aussi du méthanol ou du méthane. La technologie la plus utilisée dans l’industrie automobile est celle dite à membrane échangeuse de protons qui utilise de l’hydrogène gazeux.

Le gaz est stocké dans un réservoir à haute pression qui remplace votre réservoir à essence et peut supporter 2,5 fois la pression prévue de 700 bars. Sa structure composite lui assure étanchéité, résistance à la pression et aux chocs(4).

Dans un premier temps, l’hydrogène doit être transformé en électricité. Il est acheminé jusqu’à un catalyseur – très souvent du platine, où il se dissocie en protons et en électrons. Ces derniers sortent de la pile à combustible pour alimenter le circuit électrique. De l’autre côté, protons, électrons et oxygène de l’air se rencontrent pour former des molécules d’eau H2O. Cette eau est évacuée de la pile à combustible, puis sort par le pot d’échappement.

Pour obtenir une puissance suffisante afin d’alimenter les batteries et déplacer un véhicule, plusieurs piles à combustible sont utilisées simultanément, formant un empilement.

Principe d’un système de propulsion des voitures à hydrogène

Les véhicules à hydrogène sont classés dans la catégorie des véhicules électriques, malgré l’utilisation d’un carburant. Dans certains modèles, l’électricité produite par la pile à combustible alimente un moteur électrique, semblable à celui présent dans une voiture électrique conventionnelle. Pour d’autres véhicules, la pile à combustible sert exclusivement à recharger la batterie qui alimente le moteur – c’est le cas du Renault Kangoo, par exemple.

Un véhicule à hydrogène comporte toujours une batterie tampon qui se comporte comme une « réserve de puissance » : la puissance est fournie à la demande, par exemple lors de fortes accélérations, puis la réserve est rechargée par la pile à combustible quand cette dernière prend le relais pour alimenter également le moteur électrique. À l’instar des véhicules à batteries, il est possible de récupérer l’énergie de freinage pour recharger la batterie afin de la réutiliser lors du prochain démarrage.

Véhicule équipé d'une pile à hydrogène
Intérieur d’une Toyota Mirai, présenté en 2016 à São Paulo, Brazil. Les différentes parties du système de propulsion sont indiquées. (©Rémi Bligny - photo MariordoCC BY-SA)

En fonction du mode d’entraînement des roues (traction, propulsion, quatre roues motrices), le nombre et la position des moteurs électriques varient. Il n’est pas rare de positionner le moteur électrique sur la partie motrice de la voiture, voire dans certains cas d’associer un moteur électrique par roue.

Au-delà de ne rejeter aucun polluant dans l’atmosphère lors de leur fonctionnement, les véhicules électriques sont silencieux, linéaires dans la délivrance de la puissance, moins coûteux à entretenir et plutôt économiques d’utilisation.

En contrepartie, la production et le recyclage des batteries posent d’importants problèmes environnementaux et sociétaux – comme l’extraction de métaux rares, l’épuisement des ressources en minerai, la quasi-impossibilité de recycler les composants d’une batterie usagée… sans parler du coût d’achat(5) d’un tel véhicule.

Les voitures à hydrogène, en plus de bénéficier de normes de sécurité déjà bien établies(6), semblent minimiser ces contraintes puisque la batterie n’est plus l’élément central de la voiture. Il reste cependant un défi de taille : la production de l’hydrogène.

Quel avenir pour la propulsion à hydrogène ?

Aujourd’hui, 96 % de la production mondiale d’hydrogène relâche du dioxyde de carbone, le vaporeformage de ressources fossiles (comme le gaz naturel) restant le principal procédé utilisé pour cette production.

La part restante est issue de l’électrolyse de l’eau, la réaction inverse de celle exploitée dans la pile à combustible : on utilise de l’eau pour générer dioxygène et dihydrogène.

Le bilan carbone de cet hydrogène ne peut être bon qu'à la condition d'utiliser de l'électricité non carbonée (nucléaire, énergies renouvelables comme photovoltaïque et éolien par exemple). L'idéal est aussi de le produire pendant les pics de production ou pendant les creux de consommation. L'hydrogène provenant des énergies renouvelables, dit « vert », est encore cher par rapport à celui provenant de ressources fossiles.

La mise en place de réseaux de stations-service à hydrogène dans plusieurs pays européens dont la France semble indiquer que la technologie passe progressivement le cap du démonstrateur pour entrer dans une phase commerciale.

Carte Vig'HY
Cartes Vig’HY des stations ouvertes (gauche) et en projet (droite). Robin Vivian (cartes Vig’HY), Author provided

Toutefois, à ce stade, un certain nombre de défis restent à relever avant d’envisager un marché à grande échelle de la mobilité hydrogène. En 2020, 157 stations hydrogène ouvertes ou en projet étaient répertoriées en France sur la carte Vig'HY de l'Afhypac (Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible) : 86 ouvertes ou en construction, et 71 en projet… donc hypothétiques. Le référencement sur Vig’HY ne reflète ainsi pas la réalité du développement. Des projets ont été abandonnés, reportés ou modifiés (l’implantation d’une station dans le grand Nancy a par exemple été abandonné). Ce constat contraste avec le plan national(7), qui prévoit 100 stations en service en 2023.

Certaines structures sont plus des observatoires de fonctionnement comme la station de Sarreguemines principalement utilisée par des PME locales (globalement entre 10 et 20 véhicules légers) que des points d’alimentation pour le tout-venant. L’État prévoit 400 à 1 000 stations de ravitaillement installées en 2028, ce qui permettrait de ne plus avoir à choisir son trajet en fonction des bornes de ravitaillement comme c’est encore un peu le cas aujourd’hui avec les voitures électriques.

Commentaire

Hervé

Bonjour et merci pour cet Article.
L'ennui, c'est que la production de 1Kg d’hydrogène consomme facilement 50Kwh Électrique . Pour parcourir la même distance, une tesla n'en consomme que 20Kwh, certains modèles plus sobres environ 15Kwh.

Rouler à l’hydrogène corresponds du point de vue consommation à "rouler avec une américaine" (qui consomme la même quantité de gallons que de litres pour une européenne!)

L’intérêt de l’hydrogène réside dans le fait qu'on peut le stocker sur du long terme, donc permettre un développement plus poussé des ENR (placer de fortes surcapacités Solaires et éolien pour couvrir le besoin et le surplus converti en H2 stocké). Ce modèle intéressant sur le papier l'est beaucoup moins quand on ajoute les réalités économiques:
Les ENR ont un cout de production moyen plutôt élevé, et les surplus ont un taux de charge trés faible, ce qui entraine:
- Des investissements importants (construire au moins 150GW d'électrolyseurs à 1€ le W...)
- Un cout de fonctionnement (énergie, entretient) important.

Sauf progrès majeurs dans les rendement et dans le cout des électrolyseur, c'est une impasse.

Robin

Bonjour,

Votre remarque est justifiée mais nous avons souhaité centrer notre présentation sur le fonctionnement de la voiture et non sur la production, transport, stockage de l'hydrogène. Il est évident que la production "verte" (comme le photovoltaïque, éolien) a des rendements tellement faibles qu'il est inconcevable, à ce jour, de produire de l'hydrogène propre (le nucléaire n'étant pas obligatoirement une énergie que l'on pourrait définir comme renouvelable et très propre). Les coût des électrolyseurs sont certainement amenés à baisser si l'hydrogène se développe, reste la problématique des rendements, là les avancées seront certainement plus délicates.

Hervé

Précision: en citant le rendement je parlais du rendement du cycle hydrogène de "la prise" à la roue (ici ce serait plutôt du réseau à la roue...).
Le rendement de conversion des ENR n'est pas le sujet du fait de la ressource considérée (souvent à tord pour certaines) comme inépuisables et illimitées.

Les effets de ces rendements sur les couts et émissions de CO2 sont déja inclus dans les chiffres (Prix, émission de GES) et ne doivent pas être comptés deux fois.

JOSSERAND

Bonjour,
Je ne suis pas tout à fait d'accord avec vous.
Le coût du kwh photovoltaique produit, équivaut aujourd'hui à celui du nucléaire, environ 6cts/kWh (12 cts pour la filière EPR). En terme de bilan carbone il est en dessous, si on prend en compte le démantèlement des centrales 56g eq CO2/kWh contre 66, (sources ADEME), même si ces chiffres sont contestables et varient énormément en fonction de l'origine géographique notamment, il est en baisse constante pour le PV et descend encore, alors que le nucléaire aurait plutôt tendance à monter.
Le seul inconvénient, et il est de taille, concernant le photovoltaïque (je ne parle pas de l'éolien ni des autres ENR car je les connais mal) c'est sa nature intermittente et saisonnière.

Hervé

Bonjour,
L'ademe c'est des guignols. Le Giec estime le nucléaire à 12gr/Kwh . Les chiffres publiés par la sfen sont de la moitié (6gr) pour le parc Français. La déconstruction de la centrale ne peut faire beaucoup bouger ces chiffres.
Pour le reste de votre propos, oui, mais dans le cas de la voiture électrique, l'intermittence journalière n'est pas trop le souci du fait qu'on peut organiser la recharge en journée . C'est plus l'intermittence saisonnière qui est un très gros souci sans solution technique viable pour le moment

JOSSERAND

Hum, vous avez raison, le doc de l'ADEME contient une erreur typographique visiblement, c'est 6 g de CO2/Kwh qu'il faut lire...( JO Sénat du 18/07/2019 - page 3909).
Ceci dit je suis extrèmement sceptIque sur les valeurs réelles du nucléaire tant le lobby est puissant et le secret militaire présent.

Hervé

AU vu des performances du lobby nucléaire, s'il existe, il devraient revoir leur stratégie d'action car pour le moment ils sont pas trés doués.
Concernant les émissions de GES, le GIEC les estime à 12gr en moyenne mondiale. J'ai échangé avec des gens d'EDF qui maintiennent que leur 6gr est une réalité sans triche... A voir, mais de toute façon c'est une des qualités de cette énergie, qui le sera moins à l'avenir quand les gisements faciles disparaitront.

Tugdual

Pas d’hydrogène sans nucléaire,cela me paraît évident ,la France bonne élève d’Europe voire électricity map .com ,a faire peur les pays soit disant verts!

Alexandros

Juste une question :
Comment remplit-on un réservoir d'hydrogène à 700 bars ?
Faut-il être un colosse pour cela ?
Ou bien est-ce plutôt pour nos trains et camions, avec des costauds pour cela ?

alexandre

Article très intéressant, mais pourquoi le développement des ces technologies d'avenir est il si long ? On dépense encore aujourd'hui des milliards de milliards par an pour du nucléaire, gaz, pétrole (ENR, H2, recylcage, économies ) alors que l'on sait que quoi qu'il se passe tous ces milliards ne serviront plus à rien dans quelques années maintenant et qu'il faudra même dépenser encore des milliards de milliards pour tout déconstruire...
Le coeur du problème ce n'est pas la disponibilité de l'énergie (ENR), mais la façon dont on l'utilise, c'est là qu'il faut travailler le plus (ex de l'athlète).
Il sera nécessaire à un moment de revoir complètement les façons de se déplacer ou de transporter et certainement faire en sorte que la voiture ne pourra plus faire de longues distances comme dans le passé sans utiliser un autre moyen complémentaire (train, téléphérique, toboggans...).
Si d'après cet article la production d'hydrogène semble très difficile à grande échelle avec les procédés actuels, finalement est ce que la voiture 100% électrique à batterie n'est elle pas la meilleure solution et pourquoi ne pas focaliser les recherches sur de nouvelles batteries n'utilisant plus de matériaux rares ou polluants ou bien des recharges instantanées permettant de limiter les contraintes d'une autonomie ramenée à 250 km max ?

Christian FELTER

Est ce qu'une combustion de l'Hydrogène dans un moteur classique à piston est envisageable ? Quel serait le rendement dans ce cas là ? Celà serait peut être une voie de retrofitting du parc thermique ?
J'imagine que la gamme de pression et température ne serait pas du tout la même qu'un moteur diesel et qu'une des difficultés serait d'apporter une lubrification dans les cylindres. La voie d'échappement serait elle aussi complètement différentes car elle consisterait à évacuer la vapeur d'eau ou le condensat ....

Hervé

Un fabricant japonnais l'a fait. ça marche vous trouverez des articles en cherchant moteur thermique a hydrogène ou moteur à combustion interne.
Je ne pense pas que ce soit merveilleux. De plus la fumée de la réaction c'est de la vapeur d'eau, qui plus est à haute température, on peut supposer que ça doit poser quelques soucis vis a vis des matériaux utilisées car il y en a beaucoup moins dans les fumées "traditionnelles" et par conséquent doit rendre difficile le rétrofit.

De toute façon la loi de Carnot reste la même, on peut espérer un meilleur rendement, mais pas un miracle non plus.

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