Comment fonctionnent les voitures à hydrogène ?

Vous souhaitez remiser votre moteur thermique ? Entre vélo, trottinette, voiture électrique ou hydrogène, les alternatives pour nos nouvelles mobilités ne manquent pas… même si les véhicules électriques sont encore aujourd’hui contraints par l’autonomie des batteries – distance limitée, temps de recharge important.

Dans cette offre grandissante de déplacements alternatifs, intéressons-nous plus spécifiquement aux technologies hydrogène. Ces dernières s’intègrent en fait dans des véhicules qui ont un moteur électrique – pas d’essence ou de diesel dans le réservoir – mais avec un rayon de déplacement et un temps de recharge similaire à ce que nous connaissons avec nos moteurs traditionnels.

La propulsion à hydrogène est-elle une technologie nouvelle ?

La « pile à combustible » constitue le cœur d’une voiture hydrogène ; elle permet de transformer un combustible, comme de l’hydrogène, en électricité et en eau grâce à de l’oxygène. Dans la pile, une réaction d’oxydoréduction se produit permettant de créer l’électricité. Au niveau de l’anode, la molécule d’hydrogène, au contact d’un catalyseur, se décompose et libère protons et électrons qui vont créer le courant électrique. Côté cathode, l’eau est produite grâce à l’oxygène, aux protons et aux électrons.

Alors que cet effet a été découvert par William Grove en 1839, il n’a que peu intéressé les constructeurs d’automobiles pendant presque deux siècles : l’hydrogène est longtemps resté difficile à stocker, nécessairement sous pression (700 bars), et donc à transporter.

En 1994, Chrysler reprend le concept et développe un premier prototype. En 2005, Mercedes propose la première voiture à hydrogène de série : la Classe B F-Cell (pour fuel cell, en anglais). En 2006, BMW présente une voiture fonctionnant avec un moteur à hydrogène au salon automobile de Los Angeles sous l’appellation BMW Hydrogen 7. Fabriquée à 100 exemplaires seulement et proposée uniquement à la location, BMW abandonnera deux ans plus tard la technologie du moteur à combustion utilisant l’hydrogène (le développement du réseau de distribution ne permettait pas d’envisager une exploitation à grande échelle de cette technologie). En 2008, Mazda exporte la RX-8 Hydrogen RE (de l’hydrogène dans un moteur rotatif) en Norvège. Ce moteur présente la particularité de fonctionner aussi bien à l’hydrogène qu’à l’essence. Mazda annonce 210 chevaux lorsque son moteur est alimenté à l’essence et 110 chevaux lorsque ce dernier carbure à l’hydrogène.

La tendance actuelle, à l’exception de Mazda, n’est plus de développer un moteur thermique utilisant l’hydrogène comme combustible mais d’utiliser ce carburant pour produire l’énergie nécessaire à alimenter un moteur électrique.

Les projets de développement se multiplient pour des véhicules légers comme la Toyota Mirai, les utilitaires Kangoo et Master Z.E. Hydrogen de Renault, le SUV BMW I Hydrogène, mais aussi les bus, avec par exemple la ligne entre Jouy-en-Josas et Versailles inaugurée en 2019⁽¹⁾, ou encore des poids lourds, avec le Xcient Fuel Cell de Hyundai prévu pour 2025⁽²⁾.

Le véhicule à hydrogène connaît des contraintes d’autonomie similaires à celles d’un véhicule essence ou diesel : on peut faire 500 km avec un plein. Ensuite, on passe à la pompe, avec un temps de remplissage inférieur à cinq minutes. Avec un tarif compris entre 10 et 15 € le kilo (l’hydrogène se mesure en kilos) et une consommation de 1 kg/100 km, il faut compter entre 50 € et 70 € pour remplir son réservoir⁽³⁾.

Comment fonctionne une voiture à hydrogène ?

L’utilisation de l’hydrogène dans le secteur automobile est une alternative prometteuse aux hydrocarbures pour réduire les émissions des gaz à effet de serre, puisque la pile à combustible ne rejette que de l’eau lors de son fonctionnement.

Mais comment transforme-t-on de l’hydrogène en électricité ? Vous souvenez-vous de vos cours de chimie du lycée et de l’expérience de l’électrolyse de l’eau ? Celle qui, grâce à une alimentation électrique continue, deux électrodes et une solution saline permettait d’obtenir du dihydrogène et du dioxygène dans des éprouvettes ?

Dans une voiture à hydrogène, il s’agit de la même opération… mais dans l’autre sens et avec des réactions chimiques légèrement différentes. On prend de l’hydrogène et de l’oxygène, on crée un courant électrique et on rejette de l’eau. Si le principe s’énonce simplement, son développement technologique demeure cependant complexe.

Principe de la production d’électricité à partir de l’hydrogène

On l’a vu, l’architecture de la voiture à hydrogène est centrée autour de la pile à combustible. Ce n’est pas un moteur, mais un convertisseur d’énergie. Grâce à de l’énergie chimique fournie par le combustible, la pile va produire de l’électricité qui sera ensuite utilisée dans un circuit électrique extérieur : un moteur électrique, une batterie.

L’hydrogène permet en fait d’augmenter considérablement l’autonomie de véhicules électriques, grâce aux piles à combustible, en remplacement ou bien en complément des batteries.

Fonctionnement d'une pile à combustible dite « à membrane échangeuse de protons » (PEMFC) : l’hydrogène et l’oxygène se combinent, et l’eau sort de la pile. (©Connaissance des Énergies)

Différentes technologies de piles à combustible existent : le combustible en question peut être de l’hydrogène, bien sûr, mais aussi du méthanol ou du méthane. La technologie la plus utilisée dans l’industrie automobile est celle dite à membrane échangeuse de protons qui utilise de l’hydrogène gazeux.

Le gaz est stocké dans un réservoir à haute pression qui remplace votre réservoir à essence et peut supporter 2,5 fois la pression prévue de 700 bars. Sa structure composite lui assure étanchéité, résistance à la pression et aux chocs⁽⁴⁾.

Dans un premier temps, l’hydrogène doit être transformé en électricité. Il est acheminé jusqu’à un catalyseur – très souvent du platine, où il se dissocie en protons et en électrons. Ces derniers sortent de la pile à combustible pour alimenter le circuit électrique. De l’autre côté, protons, électrons et oxygène de l’air se rencontrent pour former des molécules d’eau H₂O. Cette eau est évacuée de la pile à combustible, puis sort par le pot d’échappement.

Pour obtenir une puissance suffisante afin d’alimenter les batteries et déplacer un véhicule, plusieurs piles à combustible sont utilisées simultanément, formant un empilement.

Principe d’un système de propulsion des voitures à hydrogène

Les véhicules à hydrogène sont classés dans la catégorie des véhicules électriques, malgré l’utilisation d’un carburant. Dans certains modèles, l’électricité produite par la pile à combustible alimente un moteur électrique, semblable à celui présent dans une voiture électrique conventionnelle. Pour d’autres véhicules, la pile à combustible sert exclusivement à recharger la batterie qui alimente le moteur – c’est le cas du Renault Kangoo, par exemple.

Un véhicule à hydrogène comporte toujours une batterie tampon qui se comporte comme une « réserve de puissance » : la puissance est fournie à la demande, par exemple lors de fortes accélérations, puis la réserve est rechargée par la pile à combustible quand cette dernière prend le relais pour alimenter également le moteur électrique. À l’instar des véhicules à batteries, il est possible de récupérer l’énergie de freinage pour recharger la batterie afin de la réutiliser lors du prochain démarrage.

Intérieur d’une Toyota Mirai, présenté en 2016 à São Paulo, Brazil. Les différentes parties du système de propulsion sont indiquées. (©Rémi Bligny - photo Mariordo, CC BY-SA)

En fonction du mode d’entraînement des roues (traction, propulsion, quatre roues motrices), le nombre et la position des moteurs électriques varient. Il n’est pas rare de positionner le moteur électrique sur la partie motrice de la voiture, voire dans certains cas d’associer un moteur électrique par roue.

Au-delà de ne rejeter aucun polluant dans l’atmosphère lors de leur fonctionnement, les véhicules électriques sont silencieux, linéaires dans la délivrance de la puissance, moins coûteux à entretenir et plutôt économiques d’utilisation.

En contrepartie, la production et le recyclage des batteries posent d’importants problèmes environnementaux et sociétaux – comme l’extraction de métaux rares, l’épuisement des ressources en minerai, la quasi-impossibilité de recycler les composants d’une batterie usagée… sans parler du coût d’achat⁽⁵⁾ d’un tel véhicule.

Les voitures à hydrogène, en plus de bénéficier de normes de sécurité déjà bien établies⁽⁶⁾, semblent minimiser ces contraintes puisque la batterie n’est plus l’élément central de la voiture. Il reste cependant un défi de taille : la production de l’hydrogène.

Quel avenir pour la propulsion à hydrogène ?

Aujourd’hui, 96 % de la production mondiale d’hydrogène relâche du dioxyde de carbone, le vaporeformage de ressources fossiles (comme le gaz naturel) restant le principal procédé utilisé pour cette production.

La part restante est issue de l’électrolyse de l’eau, la réaction inverse de celle exploitée dans la pile à combustible : on utilise de l’eau pour générer dioxygène et dihydrogène.

Le bilan carbone de cet hydrogène ne peut être bon qu'à la condition d'utiliser de l'électricité non carbonée (nucléaire, énergies renouvelables comme photovoltaïque et éolien par exemple). L'idéal est aussi de le produire pendant les pics de production ou pendant les creux de consommation. L'hydrogène provenant des énergies renouvelables, dit « vert », est encore cher par rapport à celui provenant de ressources fossiles.

La mise en place de réseaux de stations-service à hydrogène dans plusieurs pays européens dont la France semble indiquer que la technologie passe progressivement le cap du démonstrateur pour entrer dans une phase commerciale.

Cartes Vig’HY des stations ouvertes (gauche) et en projet (droite). Robin Vivian (cartes Vig’HY), Author provided

Toutefois, à ce stade, un certain nombre de défis restent à relever avant d’envisager un marché à grande échelle de la mobilité hydrogène. En 2020, 157 stations hydrogène ouvertes ou en projet étaient répertoriées en France sur la carte Vig'HY de l'Afhypac (Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible) : 86 ouvertes ou en construction, et 71 en projet… donc hypothétiques. Le référencement sur Vig’HY ne reflète ainsi pas la réalité du développement. Des projets ont été abandonnés, reportés ou modifiés (l’implantation d’une station dans le grand Nancy a par exemple été abandonné). Ce constat contraste avec le plan national⁽⁷⁾, qui prévoit 100 stations en service en 2023.

Certaines structures sont plus des observatoires de fonctionnement comme la station de Sarreguemines principalement utilisée par des PME locales (globalement entre 10 et 20 véhicules légers) que des points d’alimentation pour le tout-venant. L’État prévoit 400 à 1 000 stations de ravitaillement installées en 2028, ce qui permettrait de ne plus avoir à choisir son trajet en fonction des bornes de ravitaillement comme c’est encore un peu le cas aujourd’hui avec les voitures électriques.