Il existe un consensus croissant dans l’industrie automobile selon lequel l’avenir du transport terrestre réside dans la propulsion électrique. Cependant, alors que l’e-mobilité réapparaît en tant que concept (n’oublions pas qu’à l’aube de l’ère automobile, les ICE et les voitures électriques coexistaient), il y a un débat sur la manière d’alimenter le moteur électrique en électricité ? La première option consiste à utiliser des batteries à bord de la voiture – clairement l’option la plus populaire de nos jours. Il existe cependant une autre solution : les piles à combustible à hydrogène.
Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?
Remarquant le faible contenu énergétique de la technologie actuelle des batteries, certains ont suggéré une approche différente. Produire l’électricité à bord de la voiture sans avoir besoin de batteries lourdes et encombrantes. La technologie n’est pas vraiment nouvelle, puisqu’elle a été utilisée pour la première fois dans les années 60 par la NASA pour produire de l’électricité lors des missions Gemini et Apollo sur la Lune. Il existe différents types de piles à combustible, mais dans l'industrie automobile, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont utilisées presque exclusivement.
Alors, comment produire de l’électricité dans une pile à combustible ? Il s’agit d’un processus relativement simple. La pile à combustible comporte trois parties principales. L'anode, la cathode et le séparateur. Dans l'anode, le H2 est alimenté par un réservoir. H2 est composé de deux électrons et de deux protons. Les protons chargés positivement traversent le séparateur tandis que les électrons chargés négativement traversent un circuit externe créant ainsi un courant électrique.
A la cathode, l'oxygène de l'air atmosphérique rencontre les protons de l'hydrogène - qui ont préalablement traversé le séparateur - et les électrons du circuit externe. Cette combinaison crée de l’eau qui est ensuite expulsée du pot d’échappement de la voiture. Un pot d'échappement dans lequel vous pouvez boire !
Production d'hydrogène
L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers mais il n'est pas disponible sous forme libre sur Terre. Cela signifie que nous devons trouver un moyen de l'acquérir. Il existe actuellement 3+1 façons de produire de l’hydrogène.
L’hydrogène gris, comme on l’appelle, est produit par reformage à la vapeur du gaz naturel. Le gaz naturel est bombardé de vapeur d’eau très chaude et sous haute pression. Cette réaction crée du H2 et du CO2. Cette manière de produire de l’hydrogène est la moins respectueuse de l’environnement.
L'hydrogène bleu ressemble beaucoup à l'hydrogène gris, sauf que des systèmes de captage et de stockage du carbone (CSC) sont intégrés au processus de production, empêchant le CO₂ libéré d'atteindre l'atmosphère.
La troisième voie de production est l’électrolyse, qui génère de l’hydrogène vert. Cette méthode fonctionne à l’opposé d’une pile à combustible : un courant électrique divise les molécules d’eau en leurs gaz constitutifs : l’hydrogène et l’oxygène.
L’approche « +1 » est connue sous le nom d’hydrogène turquoise. Dans cette technique, le gaz naturel traverse un bain de métal en fusion, produisant de l’hydrogène et du carbone solide. Bien que le concept soit prometteur, il n’a pas encore atteint un déploiement à l’échelle commerciale.
Parmi les options existantes, l’hydrogène vert est la plus prometteuse en matière de production durable et à faible impact, à condition que l’électricité qui alimente le processus provienne de sources renouvelables telles que l’énergie éolienne ou solaire.
États de l'hydrogène
Il existe deux états possibles de l’hydrogène à utiliser. Forme gazeuse et liquide, qui présentent toutes deux leurs avantages et leurs inconvénients.
L’hydrogène étant l’élément le moins dense de l’univers, pour pouvoir l’utiliser dans une voiture, il doit être sérieusement comprimé. Dans les applications actuelles, l'hydrogène est comprimé à 700 bars. Cela représente beaucoup de pression et des réservoirs spéciaux et coûteux sont nécessaires pour cela.
L'autre alternative est la forme liquide. Mais pour liquéfier l’hydrogène, il doit être refroidi à 20°C au-dessus du zéro absolu, soit moins 253°C. Il est évident que pour obtenir les deux formes d’hydrogène, nous devons utiliser de l’énergie – soit pour une compression très élevée, soit pour le refroidissement.
L’avantage de l’utilisation de l’hydrogène est cependant énorme : 1 kg d’hydrogène transporte 33,3 kWh d’énergie. Cela signifie qu’elle transporte 167 fois plus d’énergie par kg que la batterie actuelle la plus avancée !
Batteries contre hydrogène
Alors, quelle est la méthode préférée ? Transporter votre électricité ou la produire à bord de la voiture ? L’industrie automobile semble actuellement privilégier les batteries pour plusieurs raisons.
Tout d’abord, l’efficacité du PEMFC est d’environ 60 %. Le reformage à la vapeur du gaz naturel est efficace à 70 % tandis que l’électrolyse est efficace à 75 %. La compression de l’hydrogène est efficace à environ 89 % tandis que sa liquéfaction est efficace à environ 66 %. Dans le tableau suivant, toutes les pertes sont résumées et comparées entre les batteries et l'hydrogène. Pour l’hydrogène, les scénarios les plus efficaces ont été utilisés.
| Comparaison d'efficacité | Hydrogen | Batterie |
|---|---|---|
| Électrolyse (%) | 75 | - |
| Compression de l'hydrogène (%) | 89 | - |
| Carburant/Transport réseau (%) | 80 | 93 |
| Pile à combustible (%) | 60 | 94 |
| Moteur à aimant permanent (%) | 94 | 94 |
| Conversion CC/CA (%) | 93 | 93 |
| Charge (%) | - | 94 |
| Transmission (%) | 95 | 95 |
| Efficacité totale (%) | 27 | 73 |
Les données dérivées du tableau précédent indiquent que la technologie des piles à combustible produit un profil d'efficacité presque identique à celui des véhicules à essence à moteur à combustion interne (ICE). Dans l’état actuel des choses, le déploiement de piles à combustible dans les voitures particulières ne présente que peu d’avantages pratiques. Par conséquent, la majorité des constructeurs automobiles préfèrent l’approche batterie, malgré ses contraintes inhérentes.
Il convient également de souligner que parcourir une distance équivalente entraîne des coûts de ravitaillement en hydrogène sept à huit fois plus élevés que la recharge d’un véhicule électrique à domicile. Même si l’hydrogène peut trouver une niche dans le transport routier lourd en raison de sa densité énergétique exceptionnelle, ce potentiel dépend du développement de méthodes durables pour sa production.
