De l’hydrogène pour décarboner les transports

L’hydrogène gazeux est distribué dans quelques centaines de stations à travers le monde. DR

Pour lutter contre les changements climatiques et réduire sa dépendance aux énergies fossiles, la France s’est fixée pour objectif d’aller vers un modèle énergétique plus sobre en CO2, en maîtrisant la demande d’énergie et en accroissant la production d’électricité, de chaleur et de carburants à partir de sources renouvelables. Une des nombreuses actions en ce sens concerne l’utilisation de l’hydrogène dans les transports, un secteur dépendant à 98 % des hydrocarbures ; ce dernier représente aujourd’hui un tiers de la consommation d’énergie primaire et un tiers des émissions de gaz à effet de serre en France.

L’hydrogène présente l’intérêt d’une énergie complémentaire, pour des véhicules à combustion interne et, dans une grande mesure, pour des véhicules électriques. S’il est aujourd’hui majoritairement produit à partir de gaz naturel, il peut fournir, lorsqu’il est produit à partir de ressources renouvelables, de l’électricité et de la chaleur pauvres en CO2.

Carburant et pile à combustible

L’hydrogène peut ainsi alimenter certains véhicules équipés de moteur à combustion interne fonctionnant au gaz, comme les bus ou les bennes à ordures ménagères. Les développements actuels portent sur une utilisation de l’hydrogène produit à partir de ressources renouvelables en mélange avec du gaz naturel véhicule (GNV), pouvant aller jusqu’à 20 % en volume (Hythane). Pour un bus utilisant ce type de carburant, sur un cycle urbain, cette option permet de réduire les gaz à effet de serre à l’échappement de 8 %. Même si la combustion de ce carburant émet des oxydes d’azote (NOx), polluants de l’air, c’est une voie qui peut s’avérer intéressante en synergie avec l’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel.

L’hydrogène peut également alimenter directement une pile à combustible intégrée dans des véhicules électriques. La pile est généralement associée à une batterie, l’ensemble apportant à la fois la puissance et l’énergie nécessaires à l’usage du véhicule. Il existe différentes conceptions de véhicules électriques à hydrogène, avec des degrés d’hybridation variables entre pile et batterie, selon que la pile est employée comme prolongateur d’autonomie ou comme élément de puissance.

La pile à combustible, comment ça marche ?

L’usage de l’hydrogène pour accompagner l’électrification des différents modes de transports recouvre tous les secteurs et de nombreux développements sont en cours dans les domaines routiers (véhicules utilitaires, poids lourds, bus), de la logistique (engins de manutention, chariots) et du transport fluvial et maritime (navettes, bateaux). Comme pour le véhicule électrique à batterie, le développement de véhicules électriques à hydrogène est particulièrement pertinent dans les zones urbaines confrontées à des problématiques de qualité de l’air et de nuisances sonores. L’utilisation d’hydrogène ne génère sur le lieu de sa consommation ni émissions de polluants, ni bruit.

De multiples atouts à développer

Le rendement énergétique global du vecteur hydrogène appliqué à la mobilité est de l’ordre de 20 % si l’hydrogène est produit à partir d’une source renouvelable. Il est du même ordre de grandeur que celui des véhicules thermiques (de 10 à 30 % selon les types d’usage), mais nettement inférieur à celui des véhicules électriques à batterie seule (de l’ordre de 30 % à partir de l’électricité réseau et supérieur à 70 % à partir d’une source électrique renouvelable). Ainsi, aujourd’hui, du seul point de vue énergétique, la technologie des batteries reste la plus adaptée pour alimenter des véhicules à traction électrique liés à des usages modérés (déplacements de courte distance notamment).

Les véhicules électriques intégrant une pile à combustible alimentée à l’hydrogène sont une solution adaptée pour des niveaux de services supérieurs ou des profils d’usage plus exigeants que ceux auxquels répondent aujourd’hui les véhicules électriques à batterie seule. En effet, la pile à combustible alimentée en hydrogène apporte un service supplémentaire et permet de desserrer certaines contraintes :

  • Autonomie énergétique supérieure : l’ajout d’une pile peut permettre d’embarquer plus d’énergie (kWh) ou de puissance (kW) ce qui confère une autonomie supérieure au véhicule électrique et offre la possibilité d’alimenter des équipements à bord (par exemple, le chauffage de l’habitacle, la réfrigération…) ;

  • Maintien de la charge utile du véhicule (en particulier pour les poids lourds), qui est généralement amoindrie par le poids important des batteries ;

  • Plus grande disponibilité du véhicule : le remplissage d’un réservoir d’hydrogène s’opère en quelques minutes, rendant le véhicule électrique quasi immédiatement disponible dans le cas de contraintes fortes sur la recharge des batteries (cycles d’usage rapprochés, disponibilité des bornes de recharge électrique). Cela représente un avantage important en permettant d’une part, de réduire la taille d’un parc de véhicules, grâce à la limitation des immobilisations liées à la recharge des batteries, et d’autre part cela limite les besoins en points de recharge des batteries.

L’utilisation de l’hydrogène dans les véhicules électriques peut en outre faciliter la gestion du réseau électrique. En effet, l’augmentation du nombre de véhicules électriques à batterie pourrait générer de plus grandes sollicitations du réseau du fait des besoins de recharge. L’hydrogène constitue alors un moyen supplémentaire ou alternatif de recharge de ces véhicules, offrant ainsi une flexibilité accrue pour la gestion du réseau électrique. En effet, le procédé d’électrolyse permet de produire de l’hydrogène à partir d’électricité, lorsque par exemple celle-ci est abondante, décarbonée et potentiellement moins chère (c’est le principe du _« power to gas » _), l’hydrogène étant ensuite stocké en station. L’hydrogène peut alors être introduit dans le réservoir des véhicules quand de besoin et permet le remplissage de la batterie sans sollicitation du réseau électrique de manière instantanée.

La Toyota Mirai, première automobile dotée d’une pile à combustible à être produite en grande série. Ryosuke Yagi/Wikimédia, CC BY

À la recherche de l’équilibre économique

Les véhicules électriques hydrogène présentent encore un surcoût par rapport aux véhicules thermiques et aux véhicules électriques à batterie seule, compte tenu du coût actuel élevé de la technologie pile à combustible. Toutefois, une analyse prospective en coût global pour l’usager, basée sur une pré-industrialisation de la technologie pile à combustible, montre que des solutions sont économiquement acceptables à moyen terme pour certains véhicules. Une division par cinq du coût du kW pour un système pile de 5kW est ainsi attendue pour une production annuelle d’une dizaine de milliers d’unités par an.

L’équilibre économique de la mobilité hydrogène repose également sur le développement de stations de recharge de capacité faible à moyenne (10 à 80 kg H2/j, 350 bars), mutualisées entre gestionnaires de flottes et délivrant de l’hydrogène aux alentours de 10 €/kg. Pour des marchés de flottes professionnelles captives (transport de marchandises, livraison, engins de manutention, véhicules spéciaux, etc.), la mise en place de ce type d’infrastructure est concevable à court ou moyen terme, sur la base de stations dédiées. Plusieurs collectivités ont ainsi adopté des plans de déploiement de stations sur leur territoire pour ce type de flotte. Pour les véhicules particuliers, le maillage du territoire national (voire européen) par des stations est un préalable au développement de ce marché. Cette contrainte rend ce marché plus incertain et plus lointain (au-delà de 2030).

L’Ademe s’attache aujourd’hui à valider l’adéquation entre véhicules hydrogène et usages. Le projet TITEC HyWay vise ainsi à tester auprès d’une trentaine d’utilisateurs professionnels, des véhicules Kangoo ZE équipés de prolongateurs d’autonomie à hydrogène. Ces véhicules sont alimentés par deux stations localisées à Lyon et Grenoble, qui seront à terme connectées à une production locale d’hydrogène par électrolyse.