9 novembre 2020

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

L’hydrogène est un sujet qui fait couler beaucoup d’encre aujourd’hui. Il apparaît en effet comme une des solutions pour la transition bas carbone. Une vraie course à l’innovation s’engage, nombreux sont les pays et les entreprises qui annoncent leur entrée dans la compétition. Le plan hydrogène de la France dévoilé en septembre dernier présente l’hydrogène comme un accélérateur de la transition écologique et ambitionne le développement d’une filière française d’hydrogène décarboné, avec un investissement de 7,2 milliards d’euros d’ici à 2030. En Allemagne, c’est en juin dernier que le conseil des ministres allemand a adopté sa « stratégie nationale pour l’hydrogène ». En tout, c’est 9 milliards d’euros que ce pays va consacrer à ce plan jusqu’en 2030. Qu’est-ce que l’hydrogène décarboné ? Pourquoi l’hydrogène peut-il être une solution pour la transition bas carbone ? Quels sont les verrous technologiques et les freins à son développement ? Quels sont les axes d’innovation ? Quelles sont les derniers développements dans le domaine des transports ? La littérature sur le sujet est abondante, il est difficile pour les non-initiés de démêler le vrai du faux. Les experts Carnauto vous aident à mieux comprendre les enjeux de ce vecteur d’énergie.

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

L‘hydrogène est l’élément le plus simple – un seul proton, un seul électron – mais également le plus abondant de l’univers (on estime que 92 % des atomes de l’univers sont des atomes d’hydrogène). Mais sur terre, l’hydrogène n’existe pas à l’état pur naturellement de manière facilement accessible : il est toujours groupé avec un autre atome pour former une molécule. Le séparer de cette molécule pour l’isoler demande de l’énergie car il faut briser les liaisons qui assurent la cohésion de la molécule. La molécule H2 de dihydrogène, constituée de deux atomes d’hydrogène, est aussi communément appelée « hydrogène ». C’est cette molécule H2 qui fait l’objet d’une exploitation chimique et suscite un fort intérêt énergétique, tant par ses possibilités d’usage que de stockage

Quels sont les avantages et inconvénients de cet élément ?

 

La combustion de l’hydrogène ne dégage pas de CO2 mais simplement de l’eau. C’est ce qui fait de cet élément un bon candidat pour la transition bas carbone. De plus, la molécule de di-hydrogène est particulièrement énergétique : la combustion d’1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence et 4 fois plus d’énergie qu’1 kg de charbon.

Mais il existe deux obstacles principaux à l’utilisation de l’hydrogène dans un objectif de décarbonation :

Comment produit-on de l’hydrogène ?

Aujourd’hui, l’hydrogène a 2 utilisations principales : la production d’ammoniac pour les engrais azotés et le raffinage des produits pétroliers, carburants et biocarburants. La consommation mondiale d’hydrogène pur ou mélangé à d’autres gaz est estimée en 2018 à environ 100 millions de tonnes (780 kt pour la France en 2019).

Il existe différentes techniques de production de l’hydrogène :

  • La technique la plus répandue est le vaporeformage du gaz naturel: aujourd’hui l’hydrogène pour l’industrie est produit quasi intégralement par réaction chimique entre du méthane et de la vapeur d’eau surchauffée. On obtient alors un mélange qui contient de l’hydrogène, du CO et du CO2. C’est le procédé le plus économique actuel pour produire l’hydrogène industriel. Évalué à 1,5 €/kg, son coût au kg reste cependant le triple de celui du gaz naturel hors taxe carbone.
  • La gazéification du charbon, selon le même principe qu’avec le méthane, avec un ratio CO, CO2, hydrogène différent. Le charbon contient plus de carbone et moins d’hydrogène que le méthane. Pour une même quantité d’hydrogène produit, il faut consommer plus de matière première.
  • La seule technique potentiellement « propre » de production d’hydrogène est l’électrolyse de l’eau : un électrolyseur sépare les molécules d’eau en hydrogène et oxygène. Les liaisons chimiques sont brisées grâce à un courant électrique. Il faut donc une source d’électricité et une source d’eau. Selon la source d’électricité, l’hydrogène produit sera décarboné ou non : il est bien évident que pour que l’hydrogène soit vert, il doit être produit à partir d’électricité renouvelable ( photovoltaique, éolien). Cela dépend donc du mix énergétique utilisé pour le produire. Aujourd’hui, une des questions qui se pose est : comment obtenir de manière décarbonée la quantité d’électricité supplémentaire nécessaire à la production d’hydrogène par électrolyse, qui permettrait non seulement de remplacer entièrement le vaporeformage mais également de fabriquer de l’hydrogène pour tous les nouveaux usages, par exemple la mobilité ? Une autre question est le cout : aujourd’hui, ce mode de production ne représente qu’1% de la production mondiale d’hydrogène car c’est une technique beaucoup plus couteuse que les autres.

Qu’est-ce que l’hydrogène « bas carbone » ou « vert » ?

Les différentes dénominations de l’hydrogène sont les suivantes :

  • L’hydrogène est dit gris lorsqu’il est produit à partir d’hydrocarbures, sa production émet donc du CO2 qui n’est pas récupéré.
  • L’hydrogène est dit bleu lorsqu’il est produit à partir d’hydrocarbures, mais que le CO2 produit est capté ou s’il est produit à partir d’électricité nucléaire.
  • L’hydrogène est dit vert s’il est produit par électrolyse, l’électricité nécessaire étant elle-même produite grâce à des énergies renouvelables.
  • En France, l’hydrogène produit est dit « bas carbone » : le mix énergétique était constitué en 2019 selon RTE de 70,6 % de nucléaire qui ne rejette pas de CO2, et de 6,3% d’éolien, 2,2% solaire, 11,2% hydraulique, 1,8% bioénergies et 7,9% thermique, une grande partie de l’électricité produite est bas carbone.

Comment l’électricité est-elle produite à partir d’hydrogène ?

L’électricité est produite à partir d’hydrogène grâce à une pile à combustible (PAC). Alimentée par un mélange d’air et d’hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l’électrolyse. En faisant réagir de l’hydrogène avec de l’oxygène de l’air sur les électrodes (de fines couches carbonées recouvertes d’un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l’électricité sans autre émission que de la vapeur d’eau et de la chaleur

La réaction d’oxydation de l’hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. L’emploi de platine est le point faible de la PAC : c’est un métal noble très cher et dont les ressources sont limitées.

Le rendement d’une pile à combustible varie entre 30 et 70%. Il est généralement de 50%, c’est-à-dire que 50% de l’énergie de l’hydrogène est convertie en électricité et 50% en chaleur. Le couple pile à combustible – moteur électrique (lui aussi d’un très bon rendement) est ainsi plus efficace qu’un moteur à combustion interne.

Le prix de revient de la pile à combustible, en y incluant le réservoir de stockage sous haute pression à bord du véhicule, est également très élevé : même en grande série, le coût visé en 2030-2040 sera encore de 3 à 5 fois supérieur à celui d’un moteur conventionnel.

En conclusion, il est important de signaler que l’hydrogène n’est pas une source d’énergie, mais un vecteur d’énergie. Compte tenu des pertes au cours des différentes étapes de sa production et de son utilisation, l’énergie nécessaire pour l’extraire est supérieure à l’énergie fournie par sa conversion.

L’hydrogène et la mobilité

Comme vu précédemment, la conversion de l’hydrogène ne libère pas de CO2, mais seulement de l’eau et de la chaleur: c’est pourquoi il est particulièrement intéressant pour la décarbonation de la mobilité.

L’hydrogène peut être utilisé pour la motorisation de 3 manières différentes :

  • Pour une turbine ou un réacteur : ;
  • Pour un moteur à combustion interne ;
  • Pour un moteur électrique alimenté par une pile à combustible.

Les moteurs à réaction sont employés dans l’aéronautique et le spatial, notamment pour faire décoller des lanceurs spatiaux comme la fusée Ariane.

Le moteur à hydrogène à combustion interne, ( improprement appelé moteur à explosion), est un moteur à allumage commandé quasi identique au moteur a essence : il convertit  l’énergie (gaz et chaleur) de la réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène en énergie mécanique. La réaction est déclenchée par l’étincelle de la bougie. L’énergie mécanique récupérée actionne un piston .. Cependant, les spécificités de l’hydrogène nécessitent quelques modifications pour tenir compte de son état gazeux, de sa sensibilité à l’autoallumage, de sa vitesse de combustion plus rapide et de son effet corrosif. En outre, des réglages sont nécessaires pour limiter les rejets d’oxydes d’azote (NOx) dus à l’oxydation de l’azote atmosphérique. Le rendement d’un tel moteur est de 30 à 40%. L’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne peut bénéficier des dernières avancées du moteur thermique et du couplage avec une chaîne de traction hybride.

Enfin, l’utilisation de l’hydrogène pour alimenter une pile à combustible semble être la piste privilégiée par la majorité actuellement. Les avantages de tels véhicules sont un faible bruit équivalent à celui d’un véhicule à batterie, une recharge rapide (quelques minutes seulement), une autonomie plus importante que celle des véhicules à batterie équivalents. Mais les problèmes d’infrastructure, de stockage, de sécurité et de cout des piles à combustible, de coût du carburant (10 à 15 €/kg à la pompe) sont des freins à leur déploiement.

Quelle place cette technologie va-t-elle prendre dans la mobilité de demain ?

Concernant les véhicules légers, selon Thierry Priem, Responsable Programme Stockage et solutions de flexibilité à la Direction des Energies du CEA,  aujourd’hui, de plus en plus de constructeurs automobiles proposent des véhicules électriques à batteries. Si l’on en croit les dernières annonces, les batteries actuelles permettent une autonomie de 350 à 400 km, ce qui est largement suffisant pour 95% des besoins quotidiens. En effet, une grande majorité des déplacements se fait en zone urbaine ou périurbaine, sur des trajets courts inférieurs à 100 kilomètres. Dans ces cas, la technologie des batteries convient. En revanche, pour les usages intensifs comme les flottes de taxis, ou pour les véhicules lourds, l’hydrogène paraît plus adapté : l’autonomie est plus importante et les temps de recharge sont plus courts. La stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France, et le programme européen Clean Hydrogen for Europe mettent d’ailleurs l’accent sur l’hydrogène pour la mobilité lourde. Mais si cette technologie est relativement mature pour les véhicules légers (pour preuve, la seconde génération de Toyota Mirai, berline à hydrogène du constructeur nippon, sera dévoilée en décembre prochain) il n’en est pas de même pour les poids lourds. Plusieurs verrous technologiques subsistent pour transférer le procédé vers les camions. Le système doit être intégrable dans les cabines, ce qui nécessite de compacter les piles à combustible. Il faut également augmenter leur durée de vie. La problématique des réservoirs est cruciale : si ceux-ci peuvent être de taille raisonnable, la vitesse de remplissage doit être significativement augmentée. Ce qui signifie un remplissage plus rapide, avec des contraintes beaucoup plus importantes sur les matériaux. Une R&D dans le domaine des matériaux est donc nécessaire. La forme des réservoirs va également devoir être modifiée : la forme cylindrique présente dans les véhicules légers ne convient pas, une forme plus aplatie sera nécessaire. Il faut donc trouver de nouveaux procédés de fabrication adaptés à ces nouvelles formes.

L’avenir de la mobilité réside donc dans la mixité : des batteries pour les véhicules légers et de l’hydrogène pour les véhicules lourds.

Des verrous économiques subsistent également et l’hydrogène est une alternative qui demandera du temps, des progrès technologiques et des investissements importants afin d’atteindre des niveaux de coûts compatibles avec une diffusion sur des marchés de masse, selon les experts de l’IFPEN.

 

Synthèse/perspectives

Le tableau suivant synthétise les principaux avantages de l’utilisation de l’hydrogène pour la mobilité, mais également les verrous technologiques et les freins à son développement, ainsi que les axes d’innovations nécessaires pour chaque étape de sa chaîne de valeur.

Ce dossier de veille est publié en deux parties , en décembre nous vous présenterons l’état des lieux de l’hydrogène pour la mobilité et les apports de la filière Carnauto.

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