Mobilité hydrogène : la France sur l’autoroute H2

Par Nicolas Gerhard, Quentin Guettaf, Vincent Merlo, Sacha Ponsart, Vincent Roy & Kévin Sattler, étudiants ESTA Belfort, 05/2021

Mots clés : #hydrogène #mobilité #france #automobile #climat #poidslourds

Apparue dans les années 1800 la technologie de la pile à combustible est arrivée quasiment en même temps que le moteur thermique, pourtant celle-ci est bien moins utilisée. En effet sa production et sa mise en service nécessitait plus de moyen et n’était pas souvent très rentable. Néanmoins avec les nouvelles technologies actuelles, un changement du parc automobile français à l’hydrogène, que ce soit pour l’automobile privé ou pour le transport de marchandises, pourrait être une solution pour pallier les inconvénients de la voiture électrique notamment en termes d’autonomie et ainsi réduire notre consommation d’énergie fossile et notre emprunte carbone.  Depuis plusieurs années, la France accélère sa révolution H2 et en fait un de ses objectifs majeurs de son plan de relance national. Sachant que les transports représentent le quart des émissions mondiales, la mobilité hydrogène sera-t-elle le futur de nos déplacements ? 

Application de l’hydrogène dans la mobilité

L’usage de l’hydrogène se place comme une piste majeure en vue de la réduction de l’empreinte carbone des transports. Les technologies en fonction des moyens de transport ne sont pas toutes avancées au même stade, en effet les recherches sur la mobilité terrestre sont les plus avancées avec deux grandes familles : d’un côté les véhicules légers (berlines et citadines), et de l’autre les véhicules lourds de transport de marchandises ou de personnes (camions, bus, trains…). 

En 2014, Toyota a été le premier constructeur à commercialiser la voiture à hydrogène suivi de près par Hyundai qui a proposé à son tour un SUV à hydrogène. Comme l’ensemble des véhicules à hydrogène, elle associe un réservoir rempli d’H2 à une pile à combustible qui va permettre de combiner l’hydrogène à l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité. Leur commercialisation a été limitée à cause de leur coût (entre 50 000 et 80 000 €), la rareté des stations de recharge et la taille des réservoirs qui empiète sur l’habitacle. C’est pourquoi, de nombreux équipementiers ont investi dans le stockage de l’hydrogène pour apporter de meilleures solutions.

Dans le transport de marchandises par camions, l’hydrogène pourrait, au cours du temps, remplacer le diesel. Le remplissage est rapide, l’autonomie est importante, le poids limité. Hyundai a déjà mis sur route ses premiers prototypes suivis de très près par Toyota, Volkswagen ou encore General Motors. 

Le train à hydrogène pourrait être une option alternative au diesel afin de circuler sur les lignes non-électrifiées. ALSTOM, a mis à disposition de l’Allemagne plusieurs prototypes de train à Hydrogène en automne 2018 : le Coradia Ilint. La Région Bourgogne Franche-Comté a également acheté en 2021, 3 trains à hydrogène à Alstom pour le transport de passagers. Leur mise en circulation est prévue pour 2023. Le fret ferroviaire à hydrogène est aussi un axe de développement majeur pour le constructeur français ALSTOM.

En France, une ligne « 100% hydrogène » est déjà en service à Pau, et ce depuis décembre 2019. Des bus à hydrogène circulent également à Lens et Versailles. La liste des villes qui s’intéressent à cette énergie pour les transports en commun s’agrandit de plus en plus. 

Le secteur aérien mise beaucoup sur l’Hydrogène pour limiter ses émissions de gaz à effet de serre. Pour le moment, deux options sont à l’étude : la première vise à utiliser l’hydrogène directement comme carburant dans le réacteur et la seconde est de produire un carburant d’aviation durable. L’avantage est que la combustion de l’hydrogène ne dégage que de la vapeur d’eau mais plusieurs barrières technologiques se posent à l’heure actuelle. 

La France a mis sur la table 1.5 milliards d’euros pour arriver à fabriquer un « avion vert » d’ici à 2030. Bien évidemment, les questions de sécurité sont plus importantes pour l’aviation et le naval même si des cargos à hydrogène sont prévus pour les années futures, ainsi que des bateaux de plaisance créés sur commande par Hynova Yachts depuis le 1er octobre 2020.

Les moyens de production

De nos jours, 95% de l’hydrogène est issu d’énergies fossiles et de bois. On retrouve de l’hydrogène en abondance sur Terre, mais il reste très peu présent à l’état naturel. Il faut pour cela l’extraire d’autres composés organiques accessibles plus facilement comme le méthane (CH4) ou l’eau (H2O) en rompant les liaisons présentes entre eux. Pour ce faire, de nombreuses réactions chimiques dans des conditions bien spécifiques sont nécessaires. Il existe actuellement trois méthodes de production : 

La première appelée « Reformage » consiste à faire réagir du méthane avec de la vapeur d’eau pour obtenir un gaz de synthèse appelé syngas (=CO +3H2) contenant de l’hydrogène.

Formule vaporeformage = CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)

Sous l’action de la vapeur d’eau et de la chaleur, les atomes carbonés (C) du méthane (CH4) se séparent et se réarrangent pour obtenir d’un côté du dihydrogène (H2), et de l’autre du monoxyde de carbone (CO). Cette technique est utilisée en grande majorité dans la production industrielle et permet déjà de réduire de plus de 30% les émissions de gaz à effet de serre par rapport à une flotte de véhicules classiques. 

La figure 4 démontre que l’hydrogène est une source d’énergie bien plus écologique que celle que nous utilisons actuellement. Mais pour que l’hydrogène se range du côté des énergies vertes, il faut impérativement que sa production soit la plus propre possible. De cette façon, le CO2 émis lors du processus de reformage est de plus en plus souvent capturé et réutilisé ; réduisant davantage l’impact de la production en termes de gaz à effet de serre, au dépend d’un coût qui s’en retrouve fortement augmenté. 

La seconde méthode, appelée la « gazéification », consiste à bruler à haute température (environ 1200°C) du charbon ou de la biomasse de seconde génération, transformant ainsi un de ces composés solides en gaz riche en hydrogène. Si le bois (via le charbon de bois) est l’élément le plus concerné, des déchets végétaux seront également convenables. Cette méthode reprend le principe du reformage, mais elle a la particularité d’utiliser des biogaz, permettant ainsi de passer d’un gaz issu des énergies fossiles à un gaz issu de la décomposition des déchets. Cette méthode utilise des énergies renouvelables permettant d’améliorer le bilan carbone de la production.

La troisième et dernière méthode, nommée « l’électrolyse de l’eau », est une autre manière d’obtenir de l’hydrogène décarboné. Elle consiste à décomposer l’eau à l’aide d’un courant électrique pour obtenir du dioxygène (O2) d’un côté et du dihydrogène (H2) de l’autre. Ce procédé est intéressant car il permet d’obtenir assez facilement un hydrogène pur à condition d’utiliser de l’électricité « verte », mais son coût est environ 4 fois supérieur à celui du principe de reformage. Cette méthode ne représente que 1% de l’électrolyse produite en France, mais des études sont menées pour diminuer les coûts de production. A titre de comparaison pour produire l’ensemble de l’hydrogène requis pour alimenter l’ensemble du parc automobile français en hydrogène issus d’énergie verte il faudrait plus de 1 750 000 km² de panneaux solaires. Dans le même registre, l’on devrait installer 62 200 éoliennes terrestres ou plus de 18 600 éoliennes offshores pour assurer l’ensemble de la production d’hydrogène vert nécessaire pour tout le parc automobile en France.

D’autres méthodes comme la photosynthèse par l’utilisation d’algues marines ou encore l’extraction de l’hydrogène du sol existent, mais ne sont pas industrialisées pour le moment.

La place de la France

La France a fait partie des premiers pays à avoir identifier tout le potentiel de la molécule H2 et les opportunités que l’hydrogène présente pour réduire les émissions de gaz à effet de serre.  

La stratégie de la France pour le développement de la filière hydrogène est un axe majoritaire et prioritaire d’investissement. En effet, le gouvernement a débloqué 7 milliards d’euros, dans le cadre du plan France Relance, pour développer cette filière et se placer comme un acteur mondial dans l’hydrogène d’ici 2030.  

Les trois principales priorités de cette stratégie sont de : 

1. Décarboner l’industrie et faire émerger une filière française autour de l’électrolyse : la France dispose d’industriels très prometteurs et se fixe un objectif de 6.5 GW d’électrolyseurs installés à l’horizon 2030. 
2. Développer une mobilité lourde en hydrogène décarboné : L’hydrogène s’adapte à la mobilité lourde avec une capacité de stockage de l’ordre de celle des batteries électriques. Il s’adapte également aux fortes motrices et à l’inverse des véhicules électriques, l’autonomie est plus longue. L’objectif final étant la décarbonation des mobilités « lourdes ».
3. Apporter son soutien à la recherche, l’innovation et le développement de compétences pour les usages de demain : la France propose de nombreux outils et se place au côté des industriels pour accélérer la R&D en hydrogène et renforcer sa place de leader à l’international.  

Cela fait déjà trois années que le soutien de l’état Français est très important et décisif. Le Programme d’Investissement Avenir a permis de mobiliser 110 millions pour soutenir la mise en œuvre de démonstrateurs. L’Agence Nationale de la Recherche a également apporté son soutien en mobilisant, elle aussi, 110 millions d’euros au cours des 10 dernières années. L’ADEME a apporté à son tour 80 millions d’euros pour la mobilité hydrogène. BPI France et la banque des territoires sont aussi des relais majeurs et des facilitateurs pour accélérer les projets d’innovation et de développement en matière d’hydrogène.  

L’ambition du gouvernement Français est clairement affirmée, se positionner comme le leader sur les technologies de l’Hydrogène. Une étude réalisée par le conseil Mondial de l’hydrogène a permis d’affirmer l’importance de la France dans cette filière, elle se place dans le trio de tête dans la stratégie hydrogène au côté de l’Allemagne, de la Chine et du Japon. 

À l’échelle du Nord Franche-Comté, un réel écosystème est en train de se construire autour de l’hydrogène. Les industriels, les laboratoires, les collectivités, les universitaires avancent main dans la main et de réelles synergies se créent entre tous les acteurs pour faire de ce territoire, le centre d’excellence mondial en matière d’hydrogène.  

En ce qui concerne les bus à Hydrogène, ceux-ci devraient apparaitre dans les prochains mois sur les routes de la cité du Lion. L’ADEME subventionne OPTYMO pour la mise en place d’un parc de 7 bus fonctionnant à l’hydrogène et rechargeables dans une future station hydrogène construite à Montbéliard. Pour les véhicules de maintenance, l’entreprise GAUSSIN a fait la présentation d’une flotte de véhicules fonctionnant à l’hydrogène notamment pour des applications portuaires et logistiques. Tout autant prometteuse, la société belfortaine Avion MAUBOUSSIN s’est lancée dans le développement d’un système hybride à hydrogène destiné aux avions assurant des liaisons interurbaines.  

Sans oublier l’acteur incontournable FAURECIA qui a décidé d’installer son centre de recherches sur les réservoirs hydrogène et une ligne de production dans le Doubs.

Les avantages et les limites de l’hydrogène

L’hydrogène peut être une solution viable et durable pour l’avenir mais malgré ses avantages cette solution a des limites à l’état actuel. Pour commencer même si lors de son utilisation il n’entraîne que le rejet de vapeur d’eau, évitant ainsi tout production de gaz carbonés comme le monoxyde de carbone (CO) ou encore le dioxyde de carbone (CO2), gaz en grande partie responsable du dérèglement climatique, il faut considérer son coût de production.  

En effet l’hydrogène ne pourra être considéré comme une énergie verte que lorsque sa fabrication sera entièrement issue d’autres énergies renouvelables notamment pour le processus par électrolyse de l’eau qui serait le plus propre et renouvelables. Malheureusement cette technique nécessite des améliorations puisque qu’elle utilise plus d’électricité que l’hydrogène n’en produit lors de son utilisation dans la pile à combustible.

Un autre avantage que présente l’hydrogène est le fait que ce n’est pas une énergie fossile comme le pétrole ou le gaz du fait de sa présence dans l’univers. Bien qu’il ne soit que très peu présent à l’état naturel sur Terre, sa production à partir d’autres sources comme l’eau, les hydrocarbures et autres matières organiques en fait une énergie renouvelable. 

Pour ce qui est de son utilisation automobile l’hydrogène pourrait être la meilleure alternative pour remplacer l’essence et les véhicules électriques actuels. D’une part les rendements de l’hydrogène sont presque trois fois supérieurs à ceux de l’essence. En effet, 1 Kg de dihydrogène permet de produire autant d’énergie que 2,75 Kg d’essence. Et d’autres part pour ce qui est des véhicules électriques à batterie conventionnelle, l’utilisation d’une pile à combustible (ou plus précisément une pile à hydrogène) permet une plus grande autonomie ainsi qu’une meilleure transition puisque son stockage et son utilisation, semblable à un carburant comme l’essence, permettrait de conserver le parc de station-service en France. Avec des modifications pour accueillir des pompes à hydrogène l’utilisation de cette énergie pourrait s’assimiler à faire le plein d’un véhicule classique et ne représenterait pas la barrière psychologique qu’est le chargement long d’un véhicule électrique classique. 

Malgré cela l’hydrogène reste un gaz très inflammable et explosif. D’ailleurs plus l’hydrogène (combustible) et le dioxygène (comburant) se trouvent dans les bonnes proportions pour être efficace, (deux molécules de dihydrogène pour une molécule de dioxygène) plus cette explosion est intense ce qui limite encore une fois son déploiement. Une solution serait des réservoirs de dihydrogène assez étanches pour éviter toute fuite, bien qu’en cas d’accident, ceux-ci devraient laisser s’échapper rapidement le gaz pour éviter tout risque d’explosion.  

Enfin pour améliorer la rentabilité de la pile à combustible il est nécessaire d’augmenter sa durée de vie de quelques milliers d’heures, l’objectif actuel serait de mener cette durée de vie à un minimum de 20 000 heures. Mais il faudrait aussi modifier la composition de la pile à hydrogène qui contient du platine agissant comme un catalyseur mais c’est un métal rare et cher, limitant encore une fois un déploiement industriel et bon marché de cette technologie. Une fois toutes ces limites franchies les véhicules pourront représenter une solution viable pour notre avenir. 

Que ce soit à l’échelle locale et nationale, la France met toutes les chances de son côté pour se placer en tant que leader en termes de mobilité hydrogène. De réelles synergies se créent pour accélérer la transition énergétique et écologique des territoires et faire de la révolution H2 un vecteur de développement stratégique. Bien que les obstacles technologiques et économiques restent importants, la France avance à grand pas dans le développement de cette nouvelle technologie.  

Références

Air liquide., (2020). Comment produire l’hydrogène ? [en ligne]. Air liquide. [Consulté le 05 avril 2021]. Disponible via: https://energies.airliquide.com/fr/mediatheque-planete-hydrogene/comment-produire-lhydrogene

Atlante., (2020). La mobilité lourde, une autoroute pour l’hydrogène ? [en ligne]. Atlante. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via: https://www.atlante.fr/la-mobilite-lourde-leldorado-de-lhydrogene-dans-les-transports/

Béziat, E., (2021). Toyota veut s’imposer dans la voiture à hydrogène, notamment en France [en ligne]. Le Monde. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.lemonde.fr/economie/article/2021/03/05/automobile-toyota-veut-s-imposer-comme-un-acteur-cle-de-l-hydrogene-notamment-en-france_6072041_3234.html

CEA et DGEC,. (2018). Plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition écologique [Ensemble de données]. Ecologie.gouv.fr. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via: https://www.ecologie.gouv.fr/sites/default/files/Rapport%20H2%20MTES%20CEA%200106.pdf

Connaissance des énergies., (2015). Hydrogène énergie [en ligne]. Connaissance des énergies. [Consulté le 05 Avril [2021]. Disponible via: https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrogene-energie

Drive to Business., (2021). La mobilité hydrogène prend forme [en ligne]. Drive to Business. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.drivetobusiness.fr/mesures-gouvernement-mobilite-hydrogene/#:~:text=La%20mobilit%C3%A9%20hydrog%C3%A8ne%20tire%20parti%20du%20Plan%20de%20Relance&text=L’utilisation%20de%20l’hydrog%C3%A8ne,eau%20lors%20de%20son%20fonctionnement

EASHyMob., (2016). La production d’hydrogène [en ligne]. EASHyMob. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via: https://eashymob.normandie.fr/fr/mobilite-hydrogene/la-production-dhydrogene

Energieguide., (2019). Voitures à hydrogène, une solution prometteuse ? [en ligne]. Energieguide. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.energuide.be/fr/questions-reponses/voitures-a-hydrogene-une-solution-prometteuse/2135/

Engie., (2020). Mobilité Hydrogène [en ligne]. Engie. [Consulté le 04 Avril 2021]. Disponible via: https://entreprises-collectivites.engie.fr/glossaire/mobilite-hydrogene/

Fricot, P., (2021). La France sur les rails d’une « révolution de l’hydrogène » [en ligne]. Novethic. [Consulté le 04 Avril 2021]. Disponible via: https://www.novethic.fr/actualite/energie/transition-energetique/isr-rse/la-france-en-route-vers-la-revolution-de-l-hydrogene-149596.html

Le Trois., (2021). L’hydrogène, nouvelle piste pour les transports [en ligne]. Le Trois. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://letrois.info/actualites/lhydrogene-nouvelle-piste-pour-les-transports/

Malbrunot.P., (2020). L’hydrogene vert écologique [Ensemble de données]. Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via : http://www.afhypac.org/documents/tout-savoir/Fiche%203.5%20-%20H2%20vert%20R%C3%A9v.%20avril%202020%20PM.pdf

Marie, E., (2019). Des panneaux solaires pour produire de l’hydrogène abordable [en ligne]. ConsoGloble.com. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via: https://www.consoglobe.com/panneaux-solaires_produire-hydrogene-abordable-cg

McPhy,. (2020). Le plus grand projet de déploiement mobilité en France [en ligne]. McPhy.fr. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via: https://mcphy.com/fr/category/realisations/mobilite-hydrogene/?cn-reloaded=1

Ministère de la transition écologique., (2020). 38,2 millions de voitures en circulation en France [en ligne]. Ministère de la transition écologique. [Consulté le 05 Avril 2021]. Disponible via :https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/382-millions-de-voitures-en-circulation-en-france#:~:text=Au%201er%20janvier%202020%2C%2038,2%2C3%20%25%20du%20parc.

Ministère de l’économie des finances et de la relance,. (2020). Présentation de la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France [en ligne]. Ministère de l’économie des finances et de la relance. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france

Pied, A., (2020). Combien de kilomètres parcourent les Français chaque semaine ? [en ligne]. Assurland. [Consulté le 04 Avril 2021]. Disponible via: https://www.assurland.com/assurance-blog/quelle-place-occupe-les-deplacements-dans-le-quotidien-des-francais.html#:~:text=En%20moyenne%2C%20un%20Fran%C3%A7ais%20se,due%20%C3%A0%20l’activit%C3%A9%20professionnelle.

Planete energies,. (2014). Comment fabriquer de l’hydrogène ? [en ligne]. Planete energies. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.planete-energies.com/fr/medias/decryptages/comment-fabriquer-l-hydrogene

Poncin, J.L., (2020). Le premier yacht à hydrogène dévoilé à Monaco [en ligne]. H2 mobile. [Consulté le 01 Avril 2021]. Disponible via: https://www.h2-mobile.fr/actus/premier-yacht-hydrogene-devoile-monaco/