Dossier de veille sur l’hydrogène : suite

Quelle place pour l’hydrogène dans la mobilité de demain?

Nous avons commencé ce dossier de veille en novembre en vous exposant les enjeux, les avantages et les inconvénients de la technologie hydrogène. Ce mois-ci nous effectuons un état des lieux de l’hydrogène pour la mobilité et nous vous présentons les apports de la filière Carnauto.

L‘actualité du domaine

Dans le domaine de la mobilité, la question de l’hydrogène est un sujet de plus en plus présent. Tous les modes de transport sont concernés : automobile, poids lourds, bus, trains, avions, bateaux, voitures, vélos…Mais les coûts pour le développement de cette technologie sont tels que les différents intervenants doivent mutualiser leurs ressources et nouer des partenariats pour réussir à développer les produits. Les équipementiers sont fortement présents sur le marché des piles à combustible et des infrastructures. Une synthèse des principaux faits marquants est présentée pour chaque mode de transport. Les projets les plus récents des équipementiers dans le domaine sont également exposés.

Attention néanmoins aux annonces faites dans les médias : il sera nécessaire de vérifier dans le temps l’évolution des différents projets présentés ici. En effet, les enjeux sont énormes et les effets d’annonces ou infox ne sont pas rares. A l’instar de la société Nikola dont le patron a démissionné en septembre après des accusations de fraude : introduite en Bourse en juin 2020, la société qui fabrique des camions électriques hydrogène valait, un mois plus tard, près de 13 milliards de dollars (11 milliards d’euros). Mais une étude du cabinet d’analyses Hindenburg Research a mis en avant de nombreuses fraudes : comme par exemple avoir fait croire que la société avait mis au point des composants qu’elle achetait en fait à des partenaires ou avoir truqué une vidéo montrant un camion électrique qui avançait tout seul en terrain plat, alors qu’il descendait une pente, mu par la seule force de la gravité…Cette annonce a fait plonger les actions de l’entreprise, qui ont perdu 36 % de leur valeur en trois jours. C’est pourquoi les informations doivent être examinées avec prudence.

Les équipementiers

Récemment, les équipementiers français ont multiplié les projets dans le domaine de l’hydrogène. En novembre 2019, Michelin et Faurecia ont créé une coentreprise pour accompagner le développement de Symbio, une start-up spécialiste de la pile à hydrogène acquise par Michelin en 2019. Symbio lancera la construction de la première usine française de piles à combustible début 2021. Symbio travaille en France avec Renault et PSA.

Plastic Omnium a investi 200 millions d’euros dans la technologie hydrogène. Il vient de décrocher sa première commande, portant sur 5.000 réservoirs pour des bus à hydrogène. L’équipementier a pris une participation dans PO-Celltech, une start-up israélienne travaillant sur la pile à combustible, créé un centre de recherche dédié à Wuhan en Chine, racheté deux petites sociétés spécialisées, la belge Optimum CPV et la suisse Swiss Hydrogen.

Bosch a présenté début 2020 sa nouvelle pile à hydrogène pour camions et automobiles, avec une mise sur le marché prévue en 2022.

Le canadien Ballard Power Systems élargit sa gamme de piles à hydrogène avec un nouveau modèle baptisé Fcgen-HPS. Développé avec Audi, il est destiné à l’industrie automobile, mais peut également être installé dans des navires, trains ou avions.

L’hydrogène pour les poids lourds

(voir notre article sur les poids lourds)

©thomaslerchphoto – Fotolia

Une des priorités de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France présentée le 8 septembre dernier est le développement d’une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné.

Plusieurs constructeurs et équipementiers misent sur le camion hydrogène :

Dans le cadre d’une coalition réunissant plusieurs dizaines d’entreprises, l’association Hydrogen Europe appelle à un plan de déploiement ambitieux pour le camion à hydrogène : elle ambitionne de mettre sur les routes européennes 100.000 camions à hydrogène et de déployer 1.500 stations d’ici à 2030.

L’hydrogène pour les bus

Edward Boatman from Noun Project

Les bus à hydrogène sont une réalité dans de nombreuses villes à travers l’Europe, leur adoption est encore faible dans les réseaux de transport français même si ces derniers sont de plus en plus nombreux à se tourner vers cette technologie, aux côtés des bus électriques à batteries. C’est pourquoi l’Afhypac (association française pour l’hydrogène et les piles à combustible, maintenant France Hydrogène) a publié en juillet dernier un guide pour le déploiement des bus électriques à hydrogène.

Les premiers bus à hydrogène ont été mis en service en France fin 2019 :

  • à Pau (bus baptisé Fébus, dessiné par le designer Julien Gaubert en collaboration avec le constructeur d’autobus belge Van Hool),
  • Versailles (Air Liquide s’occupe de l’approvisionnement et de la distribution de l’hydrogène, tandis que c’est le modèle de bus du constructeur belge Van Hool qui a été retenu)
  • et à Bruay-La-Buissière et Auchel dans le Pas-de-Calais (bus de la société française SAFRA).

Depuis, la nécessité de dépolluer les flottes de véhicules, avec l’arrivée de jalons relatifs à des réglementations contraignantes, a amené d’autres villes à s’intéresser à cette technologie. On peut citer par exemple : Montpellier (appel d’offres en cours), Strasbourg (bus de la société espagnole Irizcar), Le Mans (bus du français SAFRA), Toulouse (bus également fournis par SAFRA)…

La RATP a débuté en octobre les tests d’un bus hydrogène avec Solaris et Air Liquide.

Everfuel (fournisseur d’énergie verte danois), Wrightbus (carrosserie et constructeur d’autobus irlandais), Ballard Power Systems (PAC, Canada), Hexagon Composites (infrastructures de stockage et de distribution d’hydrogène, Norvège), Nel Hydrogen (infrastructures de stockage et de distribution d’hydrogène, Norvège) et Ryse Hydrogen (production d’hydrogène, Royaume-Uni), se sont regroupés autour du consortium H2bus. Ce consortium a pour objectif de livrer 1000 bus à hydrogène en Europe d’ici 2023.

Enfin les anglais Optare (constructeur de bus) et Arcola Energy (PAC) lancent un bus hydrogène à 2 niveaux.

L’hydrogène pour les trains

 

Le constructeur ferroviaire français Alstom a misé depuis plusieurs années, avant tout le monde, sur le train à hydrogène et pile à combustible pour remplacer les rames locales fonctionnant au diesel. L’entreprise qui a une longueur d’avance sur les autres, a établi des partenariats en Italie, Allemagne, aux Pays-Bas, en Autriche et attend des décisions en Suède, Royaume-Unis et France pour tester son train à hydrogène, baptisé Coradia iLint. début d’année en Allemagne, et aux Pays-Bas : les premiers tests semblent concluants. Selon les dirigeants de l’entreprise, le degré de maturité du train à hydrogène en termes de disponibilité et de fiabilité a été validé. Ce train fournit le même niveau de performance que les trains régionaux traditionnels, mais avec l’avantage d’être peu bruyant et zéro émission. En Allemagne, ce train a été homologué par les autorités fédérales.

Selon le constructeur Alstom, le Coradia iLint permettrait de réduire de 45 % les émissions de CO2 lorsque l’hydrogène provient d’hydrocarbures. Mais l’hydrogène peut aussi être produit grâce aux énergies renouvelables. La réduction de CO2 par rapport à un train Diesel serait alors de 100 %.

Ce train pourrait bientôt circuler en France, puisque la SNCF ambitionne d’accélérer le déploiement du train à hydrogène. De plus, le ministre délégué aux Transports a annoncé vendredi 2 octobre le déblocage de fonds supplémentaires aux régions voulant tester le train à hydrogène, afin d’inciter le développement de l’utilisation de cette technologie qui ne devrait cependant pas voir le jour avant 2023.

La Deutsche Bahn et Siemens Mobility vont mettre en chantier en 2021 un train automoteur à hydrogène dont l’exploitation expérimentale sera conduite à compter de 2024.

Au Japon, la Compagnie des chemins de fer du Japon oriental (JR East), Hitachi, et Toyota Motor Corporation ont conclu un accord de collaboration pour le développement de véhicules ferroviaires hybrides propulsés grâce à une pile à combustible et à des batteries de stockage de l’électricité. Les premiers tests sont prévus en mars 2022.

L’hydrogène pour les bateaux

il-fede – Fotolia

L’Energy Observer est un navire hydrogène autonome et zéro émissions, qui est à la fois un plaidoyer et un laboratoire de la transition écologique. Au travers de différentes expéditions (dont la dernière est partie en mars dernier pour un tour du monde de 4 ans) Energy Observer explore des solutions concrètes et développe des technologies pour accélérer la transition écologique.

BeHydro, la joint-venture créée par le fabricant de moteurs ABC et le groupe maritime Belge CMB, vient de lancer la commercialisation d’un moteur bicarburant qui utilise en fonctionnement optimal : 15 % de diesel et 85 % d’hydrogène.

Engie et Ariane veulent développer des bateaux à hydrogène liquide : Engie va s’appuyer sur le savoir-faire du groupe aérospatial Ariane pour fabriquer de l’hydrogène liquide destiné à l’alimentation des navires.

Lancé en mars dernier, le projet Hylias vise à lancer un navire de transport de passages à propulsion hydrogène dans le Golfe du Morbihan.

La version hydrogène des SeaBubbles, des taxis électriques volants sur l’eau, a enregistré ses premières commandes en mai dernier avec 5 exemplaires vendus à Lyon, Cassis, Paris, Nantes et Genève.

Les piles à combustible sont testées sur le navire de recherche de l’Institut finlandais de l’environnement SKYE opérant dans la mer Baltique. L’expérience utilise un système de pile à combustible alimenté par l’hydrogène excédentaire de l’usine du groupe industriel chimique Kemira, dans le cadre d’un projet pilote coordonné par le centre de recherche technique de Finlande VTT.

Un consortium développe un bateau-taxi à hydrogène pour la flotte de Watertaxi à Rotterdam. Sa mise à l’eau, prévue pour 2021, vise à démontrer que les bateaux propulsés par des piles à combustible sont pleinement opérationnels et peuvent remplacer avantageusement ceux utilisant des énergies fossiles traditionnelles.

L’hydrogène pour les avions

L’aéronautique n’est pas un sujet que nous avons l’habitude d’aborder au sein de Carnauto – pour ce sujet, consulter la filière AIRCAR, nous ne développerons donc pas ce point. Cependant, les innovations développées pour ce mode de transport auront très probablement des répercussions sur toute la mobilité, y compris terrestre. L’aéronautique n’a aujourd’hui pas d’autre solution que d’innover pour se décarboner. Ce mode de transport est très impacté par la crise sanitaire de la Covid-19, et il doit, comme les autres secteurs, entamer sa transition énergétique. Les moyens investis sont importants. Il semble que l’hydrogène soit également un des axes envisagés. Présenté le 9 juin par le gouvernement, le plan de relance du secteur aéronautique souhaite faire de la France un leader du transport aérien décarboné. L’objectif est de lancer un premier avion à hydrogène dès 2035.

Airbus s’est fixé comme ambitieux objectif d’être le premier constructeur à atteindre en 2035 le zéro émission avec trois concepts d’avions propulsés à l’hydrogène qu’il a présentés en septembre dernier. Mais cette annonce est loin de convaincre tout le monde et le débat s’est engagé autour de la possibilité d’une telle réalisation dans les délais indiqués par Airbus.

L’hydrogène pour les voitures particulières

Gérard COTTET/CEA

Le marché des voitures à hydrogène est pour le moment un marché de niche qui reste assez confidentiel : l’offre est limitée, les prix sont élevés et les infrastructures de recharge sont insuffisantes. En 2019, 526 voitures à hydrogène ont été immatriculées en Europe (contre 320 en 2018), alors qu’en tout c’est 15,6 millions de voitures particulières qui ont été immatriculées sur l’ensemble du marché européen cette même année. C’est dans les pays où les infrastructures d’avitaillement sont les plus développées que les ventes se révèlent les plus importantes : ainsi l’Allemagne est en tête des immatriculations pour l’Europe avec 210 immatriculations en 2019. En revanche, aucune voiture hydrogène n’a été immatriculée en France pour cette année. Dans le monde en 2019, 7 574 modèles de ce type ont été immatriculés contre 1,6 million de véhicules électriques à batteries.

Cependant, les chiffres du début de l’année 2020 montrent une légère progression : en France 46 voitures hydrogène ont été immatriculées au premier trimestre 2020.

Les précurseurs en la matière sont Hyundai (modèle Nexo), Toyota (modèle Mirai) et Honda (modèle Clarity Fuel Cell). Ce sont les 3 acteurs qui se partagent le marché mondial actuellement. Les caractéristiques de la MIRAÏ II viennent d’ailleurs d’être officialisées avec une pile à combustible plus efficace et un prix plus abordable.

Hyundai et le groupe pétrochimique INEOS ont annoncé le 23 novembre la signature d’un protocole d’accord dédié à l’hydrogène. Parmi les projets évoqués figure l’utilisation d’une pile à combustible à bord du 4×4 Grenadier d’INEOS.

En Europe, c’est l’Allemand BMW qui parie le plus sur la voiture à hydrogène. Pour le directeur de la recherche et du développement de la société, les véhicules électriques à batteries ont en effet d’importantes limitations techniques et économiques. Ils coûtent plus cher à fabriquer que leurs équivalents à moteur thermique à cause des prix des matières premières nécessaires à leurs batteries. Selon BMW, les prix de ces matières premières pourraient même augmenter au fur et à mesure de la progression de la demande. L’autre problème majeur vient du temps de recharge des véhicules électriques à batterie et de leur autonomie dans la vie réelle. Au départ, BMW était partisan de l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne mais s’est progressivement converti à la pile à combustible ces dernières années parce que ce système permet selon eux à la fois un meilleur rendement, et une suppression totale des émissions polluantes locales. Une technologie que BMW développe depuis 2013 en partenariat avec le géant japonais Toyota, très avancé dans ce domaine, grâce notamment à l’accumulation d’expérience acquise avec la Mirai, le premier modèle à hydrogène produit en série, commercialisé de manière classique depuis 2014 et dont la deuxième génération est programmée pour la fin 2020. BMW commercialisera en 2022 un SUV X5 à hydrogène produit en petite série.

En revanche, Daimler et sa filiale Mercedes renonce à la technologie hydrogène pour les véhicules légers et préfère miser sur cette technologie pour les poids lourds avec sa future joint venture avec Volvo. Le groupe a donc annoncé en début d’année la fin de la carrière du GLC F-Cell, son SUV hydrogène. De même le patron d’Audi affirme qu’il ne croit pas en ce carburant, dont la production pose toujours problème. Les projets hydrogène de la marque sont donc pour le moment gelés.

En France, vu le manque d’infrastructures, les véhicules hydrogène sont pour le moment limités aux flottes d’entreprises. En effet il n’existe à ce jour qu’une quarantaine de stations de recharge. L’objectif des professionnels de la filière est de franchir le cap des 100 stations d’ici à 2023, de faire en sorte que la distance moyenne entre elles soit réduite de 300 à 150 kilomètres et de les rendre accessibles plus systématiquement aux utilitaires légers et aux voitures particulières. Seuls les modèles Toyota Mirai et Hyondai Nexo sont disponibles sur le territoire, le Honda Clarity n’est pas en vente en France. Un seul constructeur français propose pour l’instant de l’hydrogène : Renault, avec un seul véhicule disponible, l’utilitaire Kangoo ZE hydrogen. PSA travaille également sur des utilitaires à hydrogène avec Symbio. C’est Opel qui sera la figure de proue de la motorisation à hydrogène du groupe. Les premiers tests sur route sont prévus pour l’année prochaine.

Parmi les autres développements en cours, on peut citer :

 

L’hydrogène pour les deux roues

L’hydrogène répond aux besoins de fortes puissances motrices et/ou de longue autonomie. C’est la raison pour laquelle la mobilité lourde est la priorité de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France. Il n’existe donc que très peu de développements de cette technologie dans le domaine des deux roues. D’autant que sur ces véhicules, le problème du stockage de l’hydrogène se pose encore plus. Cette solution ne présente donc pas d’avantage pour les deux roues pour le moment.

Aujourd’hui, il n’existe pas de 2 roues produit à grande échelle pour le public qui fonctionne à l’hydrogène. Néanmoins, quelques sociétés se penchent sur la question.

Concernant les vélos, la société française Pragma industries développe des vélos hydrogène destinés notamment aux parcs de vélos en libre-service. Ces vélos fabriqués par une entreprise de la ville sont déjà présents à Chambéry, Bayonne, Biarritz. A Nice, ils sont testés dans le cadre d’un partenariat conclu entre la Métropole et Engie Solutions. A Cherbourg cependant, le dispositif de location de vélos à hydrogène a pris fin après 2 ans d’expérimentation. Le conseil départemental de la Manche, associé à ce projet relancera une concertation pour étudier la suite.

La ville d’Issy-les-Moulineaux a intégré un programme européen afin d’expérimenter une flotte de vélos-cargo à l’hydrogène pour les livraisons urbaines.

Pour les scooters, le Suzuki Burgman Fuel Cell, scooter à hydrogène, reste sous forme de prototype depuis son apparition en 2009.

Une société suisse, Stor-H, vient de développer une cartouche qui permet de stocker de l’hydrogène à l’état gazeux dans un réservoir de la taille d’une bouteille d’eau. Cette cartouche pourrait faciliter et accélérer l’utilisation de véhicules légers fonctionnant à l’hydrogène.

Enfin, une moto à hydrogène est en développement à Nevers-Magny-Cours par la société H2Motronics. L’objectif principal de ce projet est la mise au point d’un groupe motopropulseur de dimensions réduites avec un rendement élevé.

Le rétrofit

(voir notre article sur le retrofit)

Le rétrofit électrique est l’action qui consiste à remplacer le moteur thermique (essence ou diesel) d’un véhicule par un moteur électrique (batterie ou hydrogène). Il permet donc de diminuer l’impact environnemental du véhicule. Il est autorisé en France depuis peu, ses conditions de mise en œuvre ont été définies par décret du 13 mars 2020.

Récemment, un premier bus diesel rétrofité par e-troFit a été mis en service en Allemagne.

En France, l’entreprise vendéenne e-Néo a développé un procédé pour adapter des poids lourds à l’hydrogène. La startup Retrofuture a annoncé la création de sa division hydrogène. Le bureau d’études HyLiberty, travaille sur la revalorisation écologique des bateaux. Sa mission consiste à accompagner les propriétaires de bateaux vers la transition écologique. Deux solutions sont proposées à ces propriétare: soit d’intégrer directement de l’hydrogène/oxygène (HHO) par électrolyse en créant ainsi un gaz dirigé vers le circuit d’air des moteurs où il se mélangera avec le carburant normal pour améliorer la condition des moteurs, soit d’opter pour un moteur tout hydrogène qui créé de l’électricité utilisée pour le déplacement et le fonctionnement du bateau. Enfin la société e-Néo travaille sur la conversion de camions lourds en misant sur l’hydrogène, avec la collaboration de transporteurs régionaux.

 

L’apport de la filière Carnauto

Le CEA LITEN, membre de l’Institut Carnot Energies du Futur, a lancé des recherches sur la filière hydrogène vert depuis plus de 25 ans et est devenu aujourd’hui l’un des référents R&D français et européen en la matière en développant des composants clef pour la production, le stockage et la conversion. On peut citer notamment :

Trois membres de l’Institut Carnot ESP (le CORIA, le CERTAM et le LCS ainsi que le laboratoire LSPC de l’INSA Rouen Normandie) sont rassemblés autour du projet RAPHYD (Recherches pour les Applications Energétiques de l’Hydrogène) sur le thème de la valorisation énergétique de l’hydrogène, par une approche intégrée s’intéressant à tous les volets de cette valorisation. Des travaux sont ainsi menés sur la production d’hydrogène vert à partir de ressources renouvelables d’une part par des procédés de transformation de biomasse (bois, lin) en gaz combustible à forte teneur en hydrogène et d’autre part par photocatalyse utilisant l’énergie solaire pour la synthèse directe d’hydrogène à partir d’eau. Les procédés de photocatalyse sont aussi évalués pour la transformation d’hydrogène gazeux en des composés liquides pour un transport et un stockage mobile plus performants. L’exploitation de l’hydrogène comme combustible est étudiée expérimentalement dans des conditions représentatives d’une part de flammes de foyers industriels de combustion et d’autre part de moteurs automobile de dernière génération. L’utilisation de techniques de mesures laser avancées apporte une meilleure connaissance de nouveaux modes de combustion de l’hydrogène associant forte efficacité énergétique et faible impact environnemental, dans le but de favoriser leurs développements et leurs déploiements. Le projet RAPHYD bénéficie du soutien financier de l’Union Européenne à travers le Fonds Européen de Développement Régional (FEDER) et par la Région Normandie.

Le Carnot IFPEN a un positionnement transverse sur toute la chaîne de valeur « Hydrogène »:

  • Pour la production d’hydrogène :
    • Par électrolyse : le Carnot IFPEN participe au projet collaboratif MoSHy, qui vise à développer des méthodologies pour définir un électrocatalyseur économique pour la production d’hydrogène à partir d’eau.
    • Par conversion de bioéthanol par vaporeformage catalytique : l’IFPEN a co-développé un procédé avec la société Hyradix.
  • Pour le stockage : l’IFPEN travaille aussi sur le sujet du stockage de l’hydrogène en collaboration avec Storengy.
  • Pour la décarbonation de l’hydrogène issu des hydrocarbures : l’IFPEN développe différentes technologies de captage en post- et en oxycombustion.
  • Pour la mobilité, le Carnot IFPEN dispose de moyens d’essais et de modélisation  dédiés hydrogène, utilisés pour ses études  internes ou contractuelles. On peut notamment citer :
    • Un banc d’essais système PAC complet,
    • Un banc d’organes PAC BOP (Balance of Plant) permettant de travailler sur la gestion de la consommation d’énergie de chacun des composants du système PAC,
    • Un banc d’essais moteur à combustion interne hydrogène
  • L’IFPEN travaille également sur les e-fuels, carburants de synthèse fabriqués à partir d’électricité « verte » issus d’une synthèse Fischer-Tropsch alimentée par de l’hydrogène vert, en particulier pour la production de biocarburants.

C Chagny pour Carnauto