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L’hydrogène dans les véhicules légers

L’hydrogène dans les véhicules légers

 

« La pile à combustible est un non-sens. L’efficience énergétique est le paramètre le plus important »

(Carl-Friedrich Elmer, de la Fondation européenne pour le climat)

 

Attention loin de moi de prétendre que l’hydrogène n’a pas d’intérêt dans les transports en général. Le but de cette étude est de démontrer uniquement que l’hydrogène n’a pas d’intérêt ni d’avenir dans le transport léger et la voiture de tourisme en particulier.

Les axes écologiques et économiques sont abordés.

Hydrogène avantages

L’hydrogène en soit est un très bon moyen de stockage d’énergie. Il permet un stockage dans le temps sur l’ensemble d’une saison. Il permet donc par exemple de stocker des excédents de production d’électricité renouvelable (solaire en été par exemple) et d’éviter de faire du « peak shaving » et de perdre de l’énergie précieuse.

Exemple de production (suisse 2011-2016) (Source : Roger Nordmann) montrant du peak shaving et à contrario un besoin en électricité gazière dans les périodes creuses.

Cependant il existe d’autres moyens de stockage des excédents, qui ont de bien meilleurs rendements comme le pompage turbinage 80% avec un énorme potentiel de développement en Suisse comme en France. [Voir carte *].

Dans l’hypothèse où aucune autre forme de stockage avec un meilleur rendement n’est disponible, barrages déjà pleins, alors il est effectivement intéressant de convertir les excédents de renouvelables en hydrogène plutôt que de les perdre.

Mais le point important ensuite est de savoir quoi faire de cet hydrogène !

Comme pour toute forme d’énergie disponible dans un état donné, il convient ensuite de l’utiliser de la manière la plus rationnelle.

L’hydrogène pourra être utilisé comme carburant direct (comme les fusées) ou alors être à nouveau converti en électricité dans une pile à combustible, mais cette dernière permet de récupérer au mieux 60% d’électricité et 40% de chaleur.

Il faut donc privilégier l’utilisation de l’hydrogène là où ces 2 formes d’énergie pourront être valorisées. Dans le cas d’une voiture à hydrogène, les 40% de chaleur seront perdus. Il est donc beaucoup plus utile d’utiliser l’hydrogène par exemple dans une pile à combustible domestique, fournissant à la fois l’électricité, le chauffage et l’eau chaude sanitaire. Vu le nombre de chaudières à gaz ou au mazout encore en service, le plus intéressant est de diriger la filière hydrogène sur ce secteur. L’hydrogène, produit uniquement par les surplus d’énergies renouvelables, ne permettrait même pas de couvrir l’ensemble de ce besoin.

L’utilisation de l’hydrogène serait aussi intéressante (même si la chaleur est perdue) pour les transports de longues distances, où les batteries ne sont pas possibles, comme les navires de haute mer, les trains non électrifiés ou les camions parcourant des liaisons supérieures à 300km par jour.

Rendement de l’énergie primaire à la roue

L’hydrogène n’existe pas sur terre mais doit être produit soit à partir d’eau (H2O) soit à partir de gaz (CH4 par exemple) ou autres composés carbonés. Nous ne parlerons évidemment pas de ces derniers.

Quelque soit la méthode pour produire du H2 à partir de H2O, on pourra toujours améliorer les processus, mais on ne pourra jamais faire mieux que ce que nous impose la physique et la chimie.

L’enthalpie fixe l’énergie qu’il faut apporter pour séparer les atomes de la molécule d’eau.

Les meilleures techniques actuelles de production d’hydrogène ont un rendement de 80%, mais le plancher fixé par l’enthalpie fait qu’il ne sera jamais possible de gagner encore plus que quelques %.

A cette phase de fabrication il faut ajouter ensuite la compression à 700 bars (rendement 90%) puis son transport et stockage (rendement 80%).

Le cumul nous amène déjà à un rendement de 57.6%

On ajoute ensuite le rendement de la pile à combustible de 60% (40% perdu en chaleur !)

Puis encore le rendement du véhicule électrique de 90% (identique pour VE sur batterie)

Et on arrive au bilan global de l’énergie primaire à la roue de 31% seulement !

Dans le cas de la voiture sur batterie, le bilan global de l’énergie primaire à la roue est de 70%

Le rendement cumulé de la solution sur batterie est 2,5 fois meilleur que la solution hydrogène, de l’électricité primaire à la roue.

En gros, on a de l’électricité issue de renouvelables au départ dans les deux cas et pour 100kWh on va pouvoir parcourir :

Voiture électrique à batterie      70kWh                 466km

Voiture hydrogène                         31kWh                 206km

[autres graphes EPFL en annexe]

Dans le cas de la voiture hydrogène (rendement de la pile à combustible), on aura aussi gaspillé environ 23kWh rejetés dans l’atmosphère sous forme de chaleur !

(Chiffres venant d’autres sources allant dans le même sens, voir références)

Rendement économique

Une voiture électrique à batterie consomme entre 15 et 19 kWh / 100 km soit environ 4 € / 100 km**

Une voiture à hydrogène consomme 1 kg H2 aux 100 km soit environ 15 € / 100 km.

Il y a un rapport 3 du coût du carburant en faveur de la solution batterie.

Le coût d’entretien est également de l’ordre d’un facteur 3 en faveur de la solution batterie, par rapport à une voiture hydrogène ou thermique.

Durée de vie

Les batteries modernes sont prévues pour plus de 1500 cycles donc environ 500’000km. Les futures batteries 2021 sont annoncées pour près de 1,5 millions de km !

La pile à combustible à une durée de vie de quelques milliers d’heures maximum … et ensuite il faut recycler les membranes contenant des matériaux posant des problèmes importants, or il n’existe actuellement aucun procédé de recyclage sur mesure pour les piles à combustible à l’échelle industrielle.

Dangerosité

Nous ne nous étendrons pas sur la dangerosité bien connue de l’hydrogène, mais rappellerons ici que les véhicules utilisant cette forme d’énergie seront sans aucun doute interdits, comme les véhicules GPL, de tous parkings souterrains, voire de certains tunnels routiers, ferrys…

Réseau de distribution

Dans le cas de la filière hydrogène, un réseau de distribution très coûteux à mettre en place est nécessaire (beaucoup plus qu’une station essence). La dangerosité est évidente et déjà plusieurs stations H2 ont explosées ces dernières années.

Le seul argument avancé en faveur de cette solution est le temps nécessaire pour faire le plein de quelques minutes seulement contre 10x plus dans le cas de super-chargeurs. Le problème est qu’il ne sera pas possible de multiplier les stations H2 pour réaliser un réseau dense, pour des raisons évidentes de coûts et que cela va allonger les distances parcourues pour se rendre sur ces sites. Alors que les véhicules sur batterie sont en grande majorité rechargés soit au domicile, soit au travail, soit dans les commerces, sans faire perdre ni temps ni distance parcourue à leurs propriétaires. Rappelons encore qu’une voiture électrique sur batterie se recharge sur n’importe quelle prise durant une nuit et donc n’importe où, y compris dans des zones qui sont dépourvues de bornes de recharge.

Poids et performances :

Petite comparaison de 2 modèles comparables du marché en 2020, qui montre que le consommateur aura vite fait son choix !

TOYOTA MIRAI (prix 78’900 €)

Poids à vide        1 850 kg

Puissance maximale       151 ch

Couple maximal                              334 nm

Vitesse maximale            175 km/h

Accélération       0 à 100 km/h en 9,6 s

 

HYUNDAI KONA ELECTRIQUE 64 KWH (prix brut 38’000 €)

Poids à vide        1 760 kg

Puissance            204 ch

Couple  395 Nm

Vitesse maxi      167 km/h

Accélération       0 à 100 km/h     7,60 sec

Les fabricants

Les constructeurs ont bien compris la tendance :

VW a décidé de se concentrer sur les VE à batteries :

https://www.volkswagen-newsroom.com/en/stories/battery-or-fuel-cell-that-is-the-question-5868

Honda met son programme hydrogène « en pause » :

https://electrek.co/2019/11/10/honda-works-on-second-ev-quits-diesel-and-puts-hydrogen-on-hold/

Mercedes renonce à l’hydrogène :

https://www.automobile-magazine.fr/voitures-electriques/article/27445-mercedes-renonce-au-developpement-des-voitures-a-hydrogene

Hyundai renonce à l’hydrogène :

https://www.whichev.net/2020/07/31/hyundai-to-refocus-from-fuel-cells-to-battery-electric-vehicles/

Conclusions

L’hydrogène pour les véhicules légers (voitures, BUS et camions) et parcourant moins de 300km par jour, est une aberration tant écologique qu’économique.

Les lois de la physique ne permettront jamais à la filière hydrogène de fournir un rendement supérieur à 30% seulement de l’énergie primaire à la roue, contre 70% pour la solution sur batterie.

Le coût au kilomètre ainsi que les services d’entretien sont 3 x plus chers avec la solution hydrogène.

Tout comme la voiture hybride, la voiture hydrogène regroupe tous les inconvénients des véhicules à carburants et électriques.

Le rêve des entreprise pétrolières pour sauver leurs réseaux de distribution n’aura donc pas lieux.

L’énergie est précieuse, ne la gaspillons pas !

 

Autres articles

https://reporterre.net/La-voiture-a-hydrogene-est-un-miroir-aux-alouettes-de-la-transition-energetique

https://www.contrepoints.org/2019/05/20/344755-vehicules-lavenir-nest-pas-du-tout-a-lhydrogene

https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/le-duel-batteries-hydrogene-pour-la-motorisation-decarbonee-du-transport-routier

https://www.volkswagen-newsroom.com/en/stories/battery-or-fuel-cell-that-is-the-question-5868

 

EPFL: Mobility from Renewable Electricity: Infrastructure Comparison for Battery and Hydrogen Fuel Cell Vehicles:

https://infoscience.epfl.ch/record/276597/files/wevj-09-00003-v2.pdf

BEV (VE sur batteries):

FCEV (VE à pile à combustible):

Source Volkswagen

Recyclage PEMFC

https://www.h2-mobile.fr/actus/brecycle-recyclage-piles-combustible/

 

[*] Carte du potentiel pompage turbinage (ajoutez  les petites puissances sur la carte dans le menu de gauche!)

https://nationalmap.gov.au/renewables/#share=s-oDPMo1jDBBtwBNhD

https://www.anu.edu.au/news/all-news/anu-finds-530000-potential-pumped-hydro-sites-worldwide

 

[**] prix de 0.2 € / kWh (moyenne entre tarif de nuit et quelques recharges sur bornes publiques…)

 

L’auteur

Olivier Bourgeois
Ingénieur Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) électricité 1992
Prix « Homme, Technique et Environnement » de l’EPFL
Membre du parti Vert’libéral Suisse
Passionné par la technologie et l’écologie depuis plus de 30 ans
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