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Voiture à hydrogène : un avenir incertain

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L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique fait l’objet d’un nouvel engouement, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) lui a ainsi consacré un rapport dans le cadre du G20 d’Osaka. Rappelons que cette filière est associée à la technique de la pile à combustible qui, en recombinant l’hydrogène et l’oxygène de l’air, produit de l’eau, de la chaleur et de l’électricité (l’opération inverse de l’électrolyse), pour alimenter un moteur électrique. Ses promoteurs la présentent comme un atout pour des véhicules électriques utilisant une électricité « décarbonée » produite sans émission de CO2. Début 2019, le parc mondial comptait 11 000 véhicules légers à hydrogène, dont 400 en France, plusieurs trains fonctionnant à l’hydrogène.

L’hydrogène est un gaz industriel utilisé dans la pétrochimie, la synthèse de l’ammoniac et l’électronique, avec des propriétés énergétiques remarquables : il est le vecteur énergétique avec la plus grande densité massique (2,2 fois plus d’énergie par kilogramme que le gaz naturel). Il est produit à près de 95 % par vaporeformage du gaz naturel avec de la vapeur d’eau et émission de CO2 (par les réactions des composés carbonés avec l’oxygène), et marginalement par électrolyse de l’eau. L’utilisation de piles à combustible à hydrogène pour assurer une mobilité propre impose de le produire par électrolyse de l’eau avec une électricité « décarbonée » (issue notamment de filières renouvelables).

L’avenir de la filière, qui est en concurrence avec celle des batteries électriques, dépend des réponses qui seront apportées à plusieurs questions technico-économiques :

1) La première est celle du rendement de l’électrolyse pour produire l’hydrogène. Selon l’AIE, il est actuellement en moyenne de 64 %, mais il pourrait passer à 70 % en 2030 et à 74 % à plus long terme.

2) La deuxième concerne le stockage de l’hydrogène dans un véhicule et une station de recharge. Le stockage sous forme liquide étant coûteux, la solution adoptée est celle du stockage en phase gazeuse à très haute pression (700 bars) dans un réservoir en matériau composite, la compression consommant 10 % de l’énergie électrique.

3) La troisième est celle du rendement de la pile à combustible, il est de l’ordre de 60 % mais on peut sans doute l’améliorer.

4) La quatrième concerne le catalyseur de la pile qui est le platine, un métal rare et coûteux (une production mondiale de 200 tonnes par an), auquel on n’a pas encore trouvé de substitut, un recyclage s’imposera.

Le rendement global du vecteur hydrogène (de la source d’électricité produisant l’hydrogène à celle en sortie de la pile) est médiocre. Dans un avis publié en 2018, l’ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie) concluait que « le rendement des solutions associées à l’hydrogène est de l’ordre de 20 % à 30 %, contre plus de 80 % pour les technologies liées aux batteries ». Améliorer ce rendement est, selon l’AIE, le défi majeur pour la filière.

En dépit de ces limites, la voiture à hydrogène a, aujourd’hui, deux avantages indéniables par rapport aux véhicules à batteries : un faible temps de recharge (cinq minutes, comme pour un plein d’essence) et une autonomie équivalente à celle d’un véhicule à essence. Par ailleurs, même si elle reste plus chère que les autres véhicules, elle pourrait devenir compétitive à l’avenir. Ainsi, l’AIE a comparé le coût total du kilomètre parcouru pour des véhicules de 151 chevaux (amortis sur cinq ans) fonctionnant avec une pile à combustible, une batterie et un moteur à essence qui, aujourd’hui, a un net avantage. Ce ne serait plus le cas à  long terme (au-delà de 2030), si l’on fait l’hypothèse d’une forte taxation du CO: dans ces conditions, les coûts seraient proches pour les véhicules à hydrogène (0,46 dollar US par kilomètre, avec une baisse importante du prix des piles à combustible) et ceux avec une batterie (0,45 dollar US par kilomètre), et inférieurs à ceux des véhicules à essence, mais avec un coût de l’énergie représentant 3 % pour l’électricité et 8 % pour l’hydrogène.

Néanmoins, le rendement économique de la filière est loin d’être assuré dans le domaine du transport, d’autant plus que le développement à grande échelle d’un parc de véhicules à hydrogène suppose des investissements coûteux pour construire un réseau de stations pour leur recharge (il en existait 28 en France début 2019). Ceci étant, dans un rapport sur l’avenir de la voiture électrique, l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST) a proposé, en 2019, un scénario optimiste, « Pro-hydrogène », fondé sur l’hypothèse qu’un progrès des piles assurerait la compétitivité économique de la filière. Observons, enfin, que la question de sa sécurité est rarement évoquée alors que l’hydrogène est un gaz dangereux se diffusant facilement (sa plage d’inflammabilité avec l’air est très étendue, avec une énergie d’inflammation très faible). Les risques de fuite dans un local fermé (un parking souterrain) imposeront une réglementation.

L’avenir économique de la voiture à hydrogène est très incertain, bien que l’AIE envisage, en 2030, un parc mondial de 2,5 millions de voitures. Pour l’heure, ce sont essentiellement des constructeurs japonais, notamment Toyota avec sa Mirai, et — semble-t-il — chinois, qui affichent une réelle volonté de développer la filière. Tous les constructeurs mondiaux parient sur la voiture électrique en investissant en priorité dans la technique des batteries (au salon de l’automobile 2019 de Francfort, seul BMW a annoncé un nouveau modèle de voiture à hydrogène en 2022). En France, le Plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique a fixé, en 2018, des objectifs à l’horizon 2023 : un parc de 5 000 véhicules utilitaires légers à hydrogène (de 20 000 à 50 000 en 2028), et un verdissement du ferroviaire (la SNCF va commander une quinzaine de trains à hydrogène à Alstom).

Si pour toutes les raisons technico-économiques évoquées, il est peu probable que la voiture à hydrogène concurrence la voiture électrique équipée de batteries, elle peut néanmoins prendre pied sur le marché des véhicules utilitaires, voire des bus, pour les flottes d’entreprise, et des taxis, des véhicules avec une grande autonomie (500 kilomètres) pouvant être rechargés rapidement dans des garages sécurisés. Le projet Hydrogen Mobility Europe, financé par l’Union européenne, qui teste 500 véhicules à hydrogène, ambitionne de contribuer à cet objectif. Il reste que l’hydrogène peut apporter une flexibilité aux réseaux électriques, par le stockage de l’électricité des parcs éoliens et solaires, sous forme d’hydrogène. C’est l’objectif du projet pilote Jupiter 1000, soutenu par l’ADEME, à Fos-sur-Mer où une installation (1 mégawatt électrique) produira de l’hydrogène, transformé partiellement en méthane « renouvelable », qui sera injecté dans un gazoduc. L’avenir de la filière hydrogène n’est pas nécessairement sur les routes où elle peut s’engager dans une impasse.

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Sources :
ADEME, Le Vecteur hydrogène dans la transition énergétique, Les Avis de l’ADEME, avril 2018. URL : https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/avis-de-lademe_hydrogene_maj_avril2018.pdf ; OPECST, Les Scénarios technologiques permettant d’atteindre l’objectif d’un arrêt de la commercialisation des véhicules thermiques en 2040, Paris : Assemblée nationale, mars 2019. URL : http://www.assemblee-nationale.fr/15/rap-off/i1766.asp ; AFHYPAC (Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible), « L’hydrogène pourrait répondre à 20 % des besoins en énergie en France en 2050 », Hynovations, n° 76, mars 2018. URL : http://www.afhypac.org/newsletter/76/l-hydrogene-pourrait-repondre-a-20-des-besoins-en-energie-en-france-en-2050-217/ ; AIE, The Future of Hydrogen, Paris : AIE, juin 2019. URL : http://www.iea.org/publications/reports/thefutureofhydrogen ; WEC (World Energy Council), New Hydrogen Economy - Hope or Hype?, WEC (Innovation / Insights Brief), juin 2019. URL : https://www.worldenergy.org/assets/downloads/WEInnovation-Insights-Brief-New-Hydrogen-Economy-Hype-or-Hope.pdf ; IRENA (International Renewable Energy Agency), Hydrogen: A Renewable Energy Perspective, Abou Dabi : IRENA, septembre 2019. URL : https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/Sep/IRENA_Hydrogen_2019.pdf ; « Les transports zéro émission passent la vitesse supérieure en Europe », Cordis, 27 septembre 2019. URL : https://cordis.europa.eu/article/id/406958-emissions-free-transport-speeding-up-in-europe/fr. Consultés le 4 octobre 2019.

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Cet article est en accès libre jusqu'au 21/11/2019. Devenez membre pour accéder à l'ensemble des productions de l'association.

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