L’hydrogène: énergie de demain ?

Par Hugo Gaden & Ludovic Zoeller, étudiants ESTA Belfort, 06/2020

Mots-clés: #hydrogène #pile à combustible #voiture #mobilité de demain #zero émission

L’investissement nécessaire pour réduire de moitié les émissions de dioxyde de carbone et développer une « révolution internationale des technologies énergétiques » est de taille et plus que nécessaire à l’heure actuelle. Les émissions de CO2 sont à la fois d’origine naturelle et d’origine anthropique. Malheureusement, cette dernière croît de manière importante depuis les années 1850, et le pic de pollution n’a jamais été aussi élevé que ces dernières décennies.

L’hydrogène est peut-être le combustible du futur ; cependant il a déjà été utilisé dans le passé. Au XIXème siècle, il était mélangé au monoxyde de carbone pour faire du gaz de ville ; on l’utilisait aussi comme carburant qu’on brûlait pour faire avancer les voitures. Puis au XXème siècle, il a été remplacé par le gaz naturel et le pétrole. Mais depuis quelques années, il fait un retour en force et on expérimente cette technologie sur des bus, des voitures et même des logements, cependant elle coûte encore très cher, principalement à l’installation. (C’est pas sorcier 2015). L’hydrogène aurai donc pour but de remplacer à terme les énergies fossiles comme le pétrole et de rivaliser avec l’énergie électrique.

Qu’est ce qui fait de l’hydrogène une énergie d’avenir ?

Le problème des véhicules thermiques & électriques

Plus besoin de le répéter, les véhicules à essence et à diesel polluent nos centres villes et notre planète.

Pour faire face à cette problématique, les entreprises ont développé des voitures électriques. Des voitures qui ne polluent pas en roulant ; génial sur le papier, moins dans la réalité.

Le premier gros point noir de ces véhicules : la provenance de l’électricité consommée. Celle ci est majoritairement produite avec des ressources fossiles ou nucléaires, procédés qui engendrent des rejets de CO2 ou de déchets nucléaires. De plus, la problématique de la batterie est également à prendre en considération. Cette dernière est : d’une part extrêmement polluante car on se sait pas, aujourd’hui, comment les recycler, d’autre part prend une quantité impressionnante de temps à se recharger, pèse très lourd et pour finir est extrêmement cher de par l’usage des matériaux rares desquels elle est composée.

Figure 1 : Schéma Voiture
Source : Fiches auto (2015)

Comment faire face à ces problématiques de recyclage des batteries et de temps de chargement ?

Le concept de lhydrogène

Après l’arrivée des voitures électriques sur le marché automobile, c’est au tour des véhicules à hydrogène de pointer timidement le bout de leurs capots.

Les véhicules à hydrogène combinent les avantages des voitures électriques, à savoir les émissions de CO2 nulles, avec ceux des véhicules thermiques, comme l’autonomie et le poids. Une voiture à hydrogène possède un moteur électrique alimenté par une pile a combustible qui transforme l’hydrogène en électricité (explications détaillées dans la partie suivante). Elle comporte un réservoir semblable à celui des véhicule thermiques, qui à l’avantage de peser beaucoup moins lourd que les batteries au Lithium qui sont aujourd’hui présentes dans les véhicules électriques. Elles présentent également l’avantage de bénéficier d’un temps de remplissage du réservoir similaire à un plein d’essence conventionnel, a contrario des voitures électriques et leurs longues heures de charge. (Fiches Auto 2015)

Production, stockage et ravitaillement de lhydrogène

Production
Les difficultés liées à la volatilité de ce gaz, le plus léger sur Terre, ont été résolues. « On sait aujourd’hui fabriquer des réservoirs moins lourds et parfaitement étanches, capables de stocker jusqu’à 5 kilogrammes d’hydrogène à des pressions de 700 bars », indique Pierre-Etienne Franc, directeur marchés et technologies avancés, autrement dit le « Monsieur Hydrogène » d’Air liquide, l’un des plus gros acteurs de cette filière. (Air Liquide 2020)

Méthode consistant à chauffer l’eau et le méthane (reformage du méthane) :

L’hydrogène est présent partout sur Terre. La première étape consiste à isoler l’hydrogène qui se situe dans l’eau ou dans le méthane (appelé gaz naturel). La technique est d’injecter du méthane et de l’eau dans un four. Sous l’effet de la chaleur, l’eau et le méthane réagissent, la réaction produit du dihydrogène qui sera stocké. Mais du CO2 est émis dans l’air en parallèle ! Heureusement, cette émission est bien inférieure à celle des véhicules thermiques. (C’est pas sorcier 2015)

En effet les véhicules thermiques rejettent 150g de CO2/km de la source jusqu’au pot d’échappement donc du puit de pétrole jusqu’à la sortie de l’échappement, alors que la production d’hydrogène rapportée à un véhicule fonctionnant grâce à ce gaz n’émet que 80g de CO2/km.

Toutefois, le CO2 émis par un véhicule thermique est dispersé sur tout le territoire alors que celui de la production d’hydrogène est concentré. Il serait donc possible de le récupérer et de l’injecter dans le sol et plus précisément dans des gisements de pétrole, de gaz naturels, d’anciennes veines de charbon ou de nappes phréatiques salines de grande profondeur inexploitables pour l’homme. En 2016, 95 % du dihydrogène produit dans le monde est issu du reformage du méthane. Pour l’instant, il sert surtout dans la chimie et si à l’avenir nous voulons l’utiliser en tant que combustible, il faudra en produire beaucoup plus. La production mondiale actuelle d’hydrogène représente 500 milliards de m3. Si on prend le parc automobile français, qui comporte près de 30 millions de véhicules, il faudra produire un volume de 50 milliards de m3 en plus. Ces chiffres riment avec des investissements importants, mais ils sont atteignables. Néanmoins, le CO2 émis devra absolument être stocké et malheureusement le processus n’en est qu’au stade expérimental car il faut s’assurer que les sites soient étanches pendant plusieurs siècles.

Figure 2 : Pille à combustible
Source : Futura Sciences (2015)

Comme le montre ce diagramme, la diminution du coût de l’électrolyse a permis le développement de cette technologie qui est toujours en amélioration. La production d’hydrogène est aujourd’hui plus partagée et s’orientera à l’avenir en faveur de l’électrolyse, qui reste parmi tous ces moyens de production le plus prometteur en terme d’améliorations. (Futura Sciences 2015)

L’électrolyse de l’eau

A l’état liquide, les molécules d’eau sont représentées sous forme d’ions OH- et H+. Du courant est envoyé au niveau de la cathode, les électrons circulent. Les ions H+, qui ont besoin d’e-, se dirigent vers ce flux pour former des atomes d’hydrogène qui vont se combiner par paires et devenir du dihydrogène récupéré au niveau de la cathode.

De l’autre côté, au niveau de l’anode, les ions OH-, qui ont des électrons à revendre, cèdent leurs électrons excédentaires pour se recombiner en molécules de dioxygène qui se concentrent au-dessus de l’anode en plus des molécules d’eau.

Pour que cette technique ne soit pas polluante, il faut que l’électricité produite soit issue d’énergies renouvelables.

Les pertes d’énergie sont importantes car le rendement de l’électrolyse n’est pas très bon (autour de 70%), alors que le rendement de la totalité du système (qui comprend les infrastructures) se situe autour de 60%. (C’est pas sorcier 2015) Pour obtenir ce rendement, l’électrolyse fonctionne entre 60 et 80 °C. A plus haute température, l’électrolyse est plus performante, mais les composants ont une durée de vie moins longue puisque leur longévité est actuellement de 60 000 heures. (Sia Partners 2018)

Figure 3 : Principe électrolyse
Source : Sia Partners (2018)

Le stockage

L’hydrogène est le plus petit élément du tableau périodique. Cependant on sait que le stockage de l’hydrogène est très compliqué. En effet, ses atomes sont très agités et donc émettent un champ de répulsion envers les autres atomes d’hydrogène. C’est également le cas pour tous les autres gaz ; néanmoins l’hydrogène est le plus petit, et le plus léger. Si nous comparons un certain volume d’hydrogène avec le même volume d’oxygène, par exemple, la quantité d’oxygène a un poids 16 fois supérieur à la quantité d’hydrogène. Il faut donc trouver des alternatives pour avoir une grande quantité d’atomes d’hydrogène dans un minimum de volume (à l’état naturel : 1kg d’hydrogène a un volume de 11200L), ce qui est infaisable dans un véhicule. (C’est pas sorcier 2015)

La technique la plus utilisé est de compresser l’hydrogène par pistons. En effet dans les véhicules actuels roulant à l’hydrogène, le gaz est stocké dans les réservoirs à 700 bars.
1kg d’hydrogène a un volume de 25 litres (soit 448 fois moins qu’au naturel). En stockant l’hydrogène à cette pression, nous arrivons à un poids total de 5kg embarqué dans le véhicule pour une autonomie de 500km, bien loin des centaines de kilos des batteries présentes dans les véhicules électriques d’une autonomie similaire. (C’est pas sorcier 2015)

Par ailleurs l’hydrogène peut être stocké sous forme liquide, or on sait que l’hydrogène est liquide à -252°C (sous forme liquide 1kg d’hydrogène a un volume de 14 litres). Cependant dans un électrolyseur l’hydrogène est à une température comprise entre 60 et 80 degrés, cela représente une différence de presque 350°C. (C’est pas sorcier (2015) Il est donc beaucoup trop risqué de le stocker sous forme liquide dans un véhicule.

Le ravitaillement

L’avantage du rechargement du dihydrogène par rapport à l’électricité, c’est que cela prend le temps d’un plein normal (à l’essence), contrairement à un rechargement électrique qui est très long. Lors du plein d’hydrogène il n’y a aucun risque de fuite de gaz, même s’il entre dans la voiture à 750 bars ; en effet le flexible est étanche et la connectique l’est également, il n’y a donc aucun risque. Par ailleurs, l’hydrogène peut très facilement s’enflammer. Un accident survenu en 1937 a donné mauvaise réputation à l’hydrogène, un zeppelin gonflé à l’hydrogène a pris feu, tuant 37 personnes ; cependant il se trouve que l’incendie est dû au vernis qui recouvrait le zeppelin et non à l’hydrogène. L’hydrogène n’est pas si dangereux, car il est tellement léger qu’il s’échappe très vite vers le haut. (C’est pas sorcier 2015)

Conclusion

L’avenir des véhicules s’orientera principalement vers des modèles électriques. Actuellement ils existent et sont évidemment alimentés via de l’électricité, mais malheureusement très peu de marques 100% électriques sont présentes sur le marché, mise à part Tesla, et le coût d’acquisition d’un véhicule électrique ou à hydrogène est encore beaucoup plus élevé qu’un véhicule thermique.

La question naturelle que nous pouvons se poser est donc : « Pourquoi utiliser de l’électricité pour produire de l’hydrogène qui va lui-même produire de l’électricité pour faire fonctionner le moteur électrique ? Pourquoi ne pas utiliser l’électricité de départ ? ». Une des raisons principales est le temps de rechargement d’un véhicule comme la voiture Tesla qui oscille autour des 30 minutes. Avec très peu de stations sur le territoire, la planification de ses trajets pour faire le « plein » devient très vite pénible.
L’intérêt d’utiliser sa voiture est quand même de l’utiliser n’importe où et à n’importe quel moment. C’est là que l’hydrogène intervient en tant qu’énergie renouvelable pour faire avancer les véhicules et est placé comme énergie du futur.
Selon plusieurs scientifiques le XXème siècle était le siècle des énergies fossiles alors que le XXIème siècle serait le siècle des gaz.

Références

Air Liquide (2020 ?). Energie hydrogène, une solution pour la mobilité en propre en pleine expansion. [En ligne]. Air Liquide. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.airliquide.com/fr/science-nouvelles-energies/energie-hydrogene

Bénard, V (2019). L’interdiction du véhicule thermique en 2040 une bien mauvaise loi (1).  [En ligne]. Contrepoints .[vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.contrepoints.org/2019/06/21/347401-linterdiction-du-vehicule-thermique-en-2040-une-bien-mauvaise-loi-i

Boyer, C (2012). Hydrogène. [En ligne]. Techniques de l’ingénieur. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-vehicule-et-mobilite-du-futur-tiaitv/archive-1/hydrogene-j6368/

Capital (2016). Hydrogène : le carburant de demain ? [En ligne]. Capital. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.capital.fr/economie-politique/hydrogene-le-carburant-de-demain-1149946

C’est pas sorcier (2015) Hydrogène : combustible du futur ? – C’est pas sorcier [En ligne]. Youtube. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.youtube.com/watch?v=7Bn9Gp5kuyI

Dicko, M, Darkrim-Lamari, F, Malbrunot , P (2013). Combustible hydrogène – Production. [En ligne]. Techniques de l’ingénieur. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/procedes-chimie-bio-agro-th2/energie-durable-et-biocarburants-42494210/combustible-hydrogene-be8565/

Fiches Auto (2015). fonctionnement-principe-pile-combustible-hydrogene. [Image digitale]. [vu le 09/05/2020]. Disponible : http://www.fiches-auto.fr/articles-auto/fonctionnement-d-une-auto/s-1563-moteur-a-hydrogene-pile-a-combustible.php

Fiches Auto (2015). Moteur à hydrogène (pile a combustible) : fonctionnement. [En ligne]. Fiches Auto. [vu le 09/05/2020]. Disponible : http://www.fiches-auto.fr/articles-auto/fonctionnement-d-une-auto/s-1563-moteur-a-hydrogene-pile-a-combustible.php

Futura Science (2015). ea04fa395b_50070811_1959-hydro-13. [Image digitale]. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/physique-pile-combustible-fee-hydrogene-energie-demain-487/page/3/

Futura Science (2020). Quels sont les défauts de la voiture électrique ? [En ligne]. Futura Science. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://www.futura-sciences.com/ planete/questions-reponses/automobile-sont-defauts-voiture-electrique-1039/

Lebrethon, A et Lecocq, D (2017). L’hydrogène, une énergie propre. [En ligne]. Air Liquide. [vu le 09/05/2020] disponible : https://energies.airliquide.com/sites/abt_ne/files/2017/07/06/dp_hydrogene_06.17_fr.pdf

Sia Partners (2018). hydro1. Image digitale]. [vu le 09/05/2020]. Disponible : https://energie.sia-partners.com/20180222/le-transport-se-met-lhydrogene-make-our-planet-great-again

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10 commentaires

  1. Bonjour à vous deux,

    Merci pour cet article et cette vidéo de qualité. Après lecture de votre article, plusieurs idées me viennent : je pense qu’actuellement, l’approche que nous avons avec cette nouvelle énergie n’est pas forcément optimale et il va falloir deux vagues de développement si l’on souhaite instaurer sur le long terme l’hydrogène :
    – En construisant des usines de production d’hydrogène
    – En développant un réseau plus large et connecté
    Les entreprises cherchent actuellement à développer d’abord les modes de déplacements avant d’investir dans les infrastructures nécessaires à la production. Et c’est pour cette raison que le réseau de stations de chargement d’hydrogène devient complexe et cher. Alors je m’interroge, vous l’avez évoqué dans votre article, les prix de l’hydrogène sont actuellement très élevée et pendant longtemps, il y a eu une idée reçue disant que le concept des voitures à hydrogène ne fonctionnera jamais puisque ça coûte trop cher au quotidien.
    Aujourd’hui, le kg d’hydrogène coûte plus de 16 USD en Californie (15 euros en France), donc approximativement plus de 80 USD pour faire 500 km avec un véhicule à hydrogène. Ma question est donc : Est ce que les voitures à hydrogène (pile à combustible.) ont un avenir sur le marché de l’automobile et est-ce que les prix tendent à baisser dans les prochaines années ?
    De mon point de vue, il est surement plus simple et moins coûteux de constituer le réseau mondial de stations d’approvisionnement en hydrogène, et de faire en sorte que n’importe quel magasin, ou petite structure puisse être un point d’approvisionnement en hydrogène en stockant des ballons à hydrogène comprimé de taille standard.
    Enfin la dernière chose à noter : l’hydrogène a une grande capacité de stockage d’énergie, et lors de la combustion d’hydrogène dans des accidents, la combustion de l’hydrogène est moins destructrice que la combustion de l’essence et c’est donc un aspect très intéressant si l’on regarde l’aspect de la sécurité.
    Alors l’hydrogène sera t-il une alternative à l’avenir ? Ou bien trouverons nous une autre alternative ?

    Merci encore pour votre article,

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    1. Bonjour Marie,

      Tout d’abord merci pour ce commentaire très complet, et ravi de voir que notre article t’as plu !

      Pour répondre à ta question, je pense que la voiture à hydrogène a un avenir sur le marché de l’automobile. Cela prendra surement plusieurs années (voir dizaines d’années) mais le prix du pétrole est destiné a augmenter au fil des années. Une fois que les réserves pétrolières facilement exploitables seront épuisée et qu’il faudra utiliser des techniques plus coûteuses (pétrole bitumeux) je pense que l’hydrogène aura une carte à jouer.

      Ta réflexion sur le réseau de distribution est vraiment intéressante, car il est vrai que pour le moment les infrastructures ne sont pas suffisamment développées pour imaginer un futur dans lequel la mobilité hydrogène serait accessible à tous.

      De mon point de vue, il ne s’agit que d’une question de temps avant que l’hydrogène se démocratise et devienne la norme. Une fois que les premières voitures électriques arriverons en fin de vie et que le recyclage des batteries deviendra un gros problème il faudra bien trouver une solution, et l’hydrogène a tout pour être cette solution, sauf si évidemment une nouvelle technologie plus propre et plus facile à développer vient a être découverte 😉

      En espérant que ma réponse te convienne !

      Prend soin de toi !

      Hugo

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  2. Bonjour à vous,

    Tout d’abord merci pour cet article de qualité !

    J’aurais aimé connaître votre avis concernant l’impact de l’implantation de zones de recharge hydrogène et plus particulièrement en France. Nous savons à présent que pour les bornes de recharges électriques, cela est plus compliqué qu’il n’y paraît. En effet, la place manque et les budgets également, cependant, cela pourra-t-il changer avec l’hydrogène ?
    Faut-il comme Tesla réalisé un grand réseau de partenariat avec des hôtels, café ou restaurant afin d’assurer un réseau de distribution suffisamment conséquent pour attirer les potentiels acheteurs à se tourner vers une voiture à hydrogène ?

    Selon moi, je pense que ce dernier modèle apporte un vrai plus au réseau de bornes de recharges électrique français, même si l’état devrait également grandement y participer !

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    1. Je partage ton avis sur les partenariats avec les hôtels, café et restaurants, c’est pour moi une des seules solutions pour augmenter la taille du réseau rapidement. Concernant la participation de l’état, il est clair qu’elle est nécessaire, mais je ne suis pas sur qu’elle arrive de si tôt. Tant qu’il n’y aura pas un réseau de distribution conséquent les ventes de voitures a hydrogène ne décollerons pas, et inversement… On peut cependant espérer un investissement d’entreprise comme Air Liquide par exemple, et peut-être des constructeurs travaillant sur cette technologie : BMW et Toyota ont travaillé ensemble pour la conception de la Z4 et de la Supra, peut-être pourront-ils travailler de nouveau ensemble pour le développement des voitures à hydrogène ? Tout cela reste à définir, mais il est clair que d’importants investissements sont nécessaires…

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  3. Bonjour chers collègues,
    Merci pour ce bel article qui est très clair pour comprendre le sujet.
    Finalement, j’aimerais votre avis sur l’avenir des voitures à hydrogène car vous dites que l’avenir s’orientera plutôt sur les voitures électriques mais qu’en est-il de l’hydrogène qui a l’air quand même plutôt prometteur ?
    Ensuite, pourquoi ne privilégierions nous pas la méthode par l’électrolyse de l’eau ? Car même si son rendement est moins élevé, l’eau est une ressource quasi-infinie, et bien que l’autre méthode pollue jusqu’à deux fois moins qu’une voiture thermique, ça reste quand même énorme !
    Je vous remercie par avance

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  4. Bonjour à vous,
    Merci pour cet article expliquant très bien le dilemme de nos véhicules.
    Il est vrai que cela fait de nombreuses années que l’on entend parler de véhicules à hydrogène ou bien électrique pour remplacer nos véhicules polluants. Chacun ayant ces avantages et inconvénients, le dernier ayant quand même eux plus de succès auprès des constructeurs et des utilisateurs. Ma question est la suivante : si l’on devait sélectionner une seule de ces technologies, focaliser les recherches et le développement dessus, laquelle selon vous devrait-on sélectionner ?
    Merci d’avance pour votre réponse.

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  5. Bonjour et merci pour cet article très enrichissant.
    J’aurais aimé savoir si l’hydrogène pouvait être dangereux dans des moyens de transport, en particulier. Nous pouvons en effet en avoir une image déformée du fait de notre imaginaire à cause en particulier de l’accident du Hindenburg. Les méthodes de stockages ont elles évolués ? Y a t il des mesures de sécurité à prendre si oui lesquelles et sont elles réalisable tout en permettant la mise en place d’un produit rentable. ?
    Merci de votre futur réponse

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    1. Le stockage de l’hydrogène est désormais maîtrisé ! Les réservoirs pressurisés sont très résistants et ne présentent aucun risques. Cependant, il reste interdit de stationner les véhicules à hydrogène dans les parking souterrains (en cas de fuite, l’hydrogène s’échapperait et serait retenu par le plafond du parking, ce qui peut être dangereux en cas d’étincelle). Pour le reste, il n’y a pas de mesures spécifiques.

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  6. Bonjour et merci pour cet article,

    Aujourd’hui vous dites qu’un véhicule à hydrogène consomme 80g de CO2/km mais est-ce une valeur mondiale ou la valeur pour un pays comme la France? Pays dont la production d’électricité vient en majorité du nucléaire, moins polluant et qui émet beaucoup moins de CO2 ce qui par conséquent fait que l’électricité française est plus « verte » que ses collègues européens par exemple. Vous parlez également du recyclage des batteries des véhicules électrique mais qu’en est-il des pile à combustible? Existe t-il des moyens efficaces de les recycler?

    Merci de votre futur réponse.

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  7. Bonjour, cet article est très intéressant et nous montre les enjeux liés aux carburants issus d’énergies non renouvelables. Etant un amateur de sport automobile, je voulais savoir si les moteurs hydrogène étaient viables pour de telles compétition et si ont pourrait voir dans le prochaines années des moteurs performants issus de l’hydrogène ?

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