Automobile et environnement : questions d'actualité

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Hydrogène et automobile : quel avenir commun ?

Alors que l'automobile traverse une phase de transition vers l'électrification, une autre source d'énergie est régulièrement évoquée pour répondre à nos besoins de déplacement : l'hydrogène. Quelle est la situation actuelle pour ce carburant et quelle pourrait être sa place sur le marché dans les décennies à venir ?

L'hydrogène (ou plutôt le dihydrogène H2) est une des pistes les plus sérieusement étudiées pour l'avenir de l'automobile. De nombreuses recherches sont effectuées depuis des décennies, notamment par les constructeurs, pour évaluer sa capacité à remplacer nos carburants actuels.

Le dihydrogène : un carburant qui n'émet pas de CO2

Si l'hydrogène intéresse autant, c'est parce qu'il a une particularité chimique particlièrement pertinente dans le contexte environnemental actuel : il n'émet absolument pas de dioxyde de carbone quand il est utilisé pour produire de l'énergie. Ceci pour une raison bien simple : il n'est composé que d'atomes d'hydrogène, et pas de carbone. Quand il réagit avec l'oxygène, les deux éléments se combinent pour former de l'eau (H2O), en produisant au passage de l'énergie mécanique et/ou électrique.

La combustion de l'hydrogène

Il existe deux manières d'exploiter le di-hydrogène pour propulser un véhicule :

  • Dans un moteur à combustion, comme un moteur essence ou Diesel : il est directement injecté dans une chambre de combustion et brûlé, et tout comme les carburants fossiles, produit alors une poussée sur un piston. De l'énergie mécanique est ainsi créée, permettant de mettre en mouvement le véhicule.
  • Dans une pile à combustible, qui comme son nom l'indique, est avant tout une pile : l'hydrogène réagit avec l'oxygène de l'air pour produire de l'électricité. Celle-ci peut alors être exploitée par des moteurs électriques (les mêmes que dans une voiture électrique actuelle), qui s'occuperont de propulser le véhicule.

Les deux méthodes sont aujourd'hui étudiées, et présentent toutes deux le même avantage, à savoir l'absence de carbone additionnel à l'échappement lorsque le véhicule se déplace. Il est alors aisé de comprendre l'engouement que l'hydrogène suscite dans le secteur automobile, et dans celui des transports plus généralement...

Malheureusement, l'utilisation de l'hydrogène à grande échelle se heurte à quelques complications : il aurait sinon remplacé nos 'bons vieux' carburants fossiles depuis un moment.

Utiliser l'hydrogène : pas si simple, et pas toujours si propre...

Pour plusieurs raisons, à la fois pratiques et environnementales, la généralisation de l'hydrogène fait face à des défis de taille.

Commençons par l'aspect pratique : l'hydrogène est le plus petit atome connu (rappelez-vous le tableau de Mendeleiev dans vos salles de physique-chimie au collège !). Pour cette raison, il est à la fois très léger, très volatil et très peu dense dans des conditions atmosphériques standard. Qu'est-ce que cela signifie ?

  • Très peu dense : pour contenir un kilogramme de H2, à température et pression ambiante, il faut un volume de plus de 10m3, soit la taille d'un grand utilitaire environ ! Par comparaison, pour la même masse d'essence ou Diesel, il suffit d'une bouteille d'eau classique. Pas le choix, il faut donc compresser l'hydrogène avant d'envisager de le stocker dans un véhicule. Et ce n'est pas forcément facile, il faut d'abord de l'énergie pour effectuer cette compression, puis s'assurer de pouvoir déplacer et transvaser ce gaz à haute pression sans perte et en toute sécurité ! Des solutions existent déjà, et continuent de progresser, mais elles sont encore peu matures, et nécessitent des investissements importants. D'autres solutions que la compression sont à l'étude, mais ne semblent pour le moment pas viables pour l'automobile. Plus de détails sur cette page proposée par Air Liquide.
  • Très volatil : s'il est libéré dans l'air, il va très vite se mélanger et se propager. En soi, ce n'est pas un problème, sauf en cas d'incendie : le feu se propagera alors beaucoup plus vite et loin qu'avec un combustible fossile par exemple. Des moyens importants doivent donc être mis en oeuvre pour éviter une catastrophe en cas de fuite ou d'accident. De nombreuses questions liées à la sécurité de cette technologie se posent à l'heure actuelle.
  • Très léger : puisque c'est le plus petit atome connu, il est particulièrement difficile de le contenir avec une bonne étanchéité, car il a tendance à traverser toutes les parois. Le stocker, et le transporter, exigent donc des technologies d'isolation avancées (et coûteuses), et des questions se posent sur le stockage à long terme. Si une voiture reste stationnée plusieurs mois, il faut s'assurer que l'hydrogène sera toujours dans le réservoir et ne se sera pas échappé !

En somme, utiliser l'hydrogène comme on utilise le pétrole aujourd'hui (acheminement, stockage à la pompe et dans le réservoir, recharge du véhicule par le conducteur) nécessitera la mise en place d'une infrastructure complexe, coûteuse et encore peu maitrisée à grande échelle.

- Utiliser l'hydrogène comme on utilise le pétrole aujourd'hui nécessitera la mise en place d'une infrastructure complexe et coûteuse

Ensuite, vient la question de l'impact environnemental. Tout comme pour le véhicule électrique, si aucun CO2 n'est émis pendant qu'on roule, cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas eu d'émissions carbonées en amont. Et c'est particulièrement vrai pour l'hydrogène, puisqu'actuellement en Europe, il est majoritairement produit à partir... d'énergie fossile !

Car contrairement au pétrole, on ne trouve pas de gisement de di-hydrogène. L'hydrogène est l'atome le plus présent dans l'univers connu, et pourtant, notamment en raison de ses propriétés chimiques, il est dispersé un peu partout. Pour obtenir du H2 pur, il faut donc le créer à partir de composés hydrogénés. La méthode la plus courante pour cela s'appelle le vaporéformage, et il nécessite un apport important d'énergie extérieure.

Conséquence : l'impact carbone de la production d'hydrogène dépendra directement de l'énergie utilisée pour le produire. Le graphique suivant, issu d'une publication récente du groupe Carbone 4, illustre bien cette dépendance :

Impact carbone du véhicule à hydrogène.

On se rend compte que l'impact carbone du véhicule à hydrogène dépend très fortement de la partie 'amont' (en bleu foncé), donc de la production du H2, et qu'en fonction de l'énergie utilisée, il peut varier d'un facteur 1 à 5 ! En France, c'est l'utilisation du nucléaire qui permet de conserver un impact carbone particulièrement bas. On remarque ainsi que le véhicule à hydrogène peut passer de très vertueux à très polluant en fonction de la source d'énergie utilisée pour la production du combustible !

- L'impact carbone du véhicule à hydrogène dépend très fortement donc de la production du H2

On peut alors en tirer une première conclusion : si l'hydrogène n'est pas produit à partir d'une énergie décarbonée (nucléaire, renouvelable, ...), il ne présente pas d'intérêt, surtout si l'on tient compte de la complexité logistique qui y est liée, décrite ci-dessus. Dans le cas contraire en revanche, il semble être une solution très sérieuse pour décarboner le parc automobile !

L'hydrogène 'vert', la solution pour l'avenir ?

Pourquoi pas, mais... peut-être pas tout de suite. Pour deux raisons essentiellement : la première, c'est que pour le moment, la production décarbonée d'hydrogène, même en France, est trop faible pour alimenter un parc automobile, et qu'aucune infrastructure n'est encore sérieusement mise en place pour le grand public. Par ailleurs les coûts de cette technologie sont encore très importants, car pas d'économie d'échelle. Globalement, le marché n'est pas encore prêt pour cette technologie peu mature, et des investissements majeurs seront nécessaires pour pouvoir l'envisager sérieusement.

La seconde raison, et peut-être la plus importante, est que même en cas d'investissement massif et de progrès techniques notoires (qui sont toujours envisageables si cette direction est choisie pour ou par les constructeurs), on gagnera plus en termes de CO2 en utilisant l'électricité 'verte' et l'hydrogène 'vert' pour autre chose que l'automobile.

- Actuellement, on gagnerait plus en termes de CO2 en utilisant l'hydrogène 'vert' pour autre chose que l'automobile.

Un schéma proposé par lemondedelenergie.com à partir de données de RTE illustre bien ceci :

Comparatif des gains en CO2 par pôle d'utilisation.

L'axe vertical de ce diagramme présente les gains en CO2 attendus. Plus la barre est élevée, plus les gains en CO2 seront importants. Ce que l'on peut en déduire, c'est qu'on réduira davantage nos émissions en exportant l'électricité décarbonée vers des pays qui utilisent encore le gaz ou le charbon, qu'en l'utilisant pour produire de l'hydrogène pour nos voitures. En exportant cette électricité lorsqu'elle est disponible, on permettra de réduire l'utilisation de ressources fossiles pour la production de l'électricité.

Par ailleurs, on remarque que les gains seront également plus élevés si on utilise directement l'électricité pour des véhicules à batterie. L'explication à ceci est simple : les voitures électriques telles que nous les connaissons aujourd'hui ont un rendement bien meilleur que les voitures à hydrogène. Quand le rendement d'une BEV est supérieur à 90%, celui d'une voiture à hydrogène est inférieur à 50% dans le cas d'une pile à combustible, et encore plus faible si l'on parle d'un moteur à combustion d'hydrogène. En plus de cela, on subira les pertes liées à la conversion, dans un sens puis dans l'autre, de l'électricité en hydrogène : on ajoute simplement un intermédiaire, synonyme de perte d'énergie supplémentaire.

- Quand le rendement d'une BEV est supérieur à 90%, celui d'une voiture à hydrogène est inférieur à 50%.

En fin de compte, tant que tous les pays n'auront pas sérieusement décarboné leur production d'électricité, on réduira mieux nos émissions de CO2 en exportant l'électricité la moins émettrice en carbone, plutôt qu'en s'en servant pour autre chose. Et même si l'on utilise l'électricité disponible pour l'automobile, il est plus avantageux de s'en servir directement pour recharger des batteries.

À noter enfin que certains secteurs industriels, comme la sidérurgie, sont dépendants de l'hydrogène, et participent de façon notoire au réchauffement climatique. L'utilisation d'hydrogène décarboné apportera des bénéfices très importants à ces industries, qui contrairement à l'automobile, ne bénéficient pas d'une alternative technologique pour répondre à leurs besoins.

Alors, pourquoi parle-t-on encore d'hydrogène pour l'automobile ?

Si on économise davantage de gaz à effet de serre en consommant l'électricité pour la recharge de batteries, il est une chose qu'il faut reconnaitre : les véhicules électriques actuels ne répondent pas aux besoins de tous, principalement à cause de leur autonomie limitée et de leur temps de recharge relativement long. C'est là que l'hydrogène représente un avantage concurrentiel important : a priori, il pourrait se recharger aussi facilement qu'un véhicule thermique actuel, et présenterait ainsi une facilité et une flexibilité d'usage actuellement inatteignables pour l'électrique à batterie.

- L'hydrogène représente un avantage concurrentiel important : a priori, il pourrait se recharger aussi facilement qu'un véhicule thermique actuel.

Dans un monde où l'électricité serait majoritairement décarbonée, la disponibilité d'un hydrogène 'propre' pourrait subvenir aux besoins des gros rouleurs, en complémentarité avec le véhicule à batterie que nous connaissons aujourd'hui. Pourquoi pas même des véhicules hybrides batterie/hydrogène pour s'adapter à tous les besoins de déplacement à l'avenir ?

Aujourd'hui, un marché est sérieusement étudié pour l'hydrogène : le transport routier. Il émet presqu'autant de gaz à effet de serre que le transport de passagers, mais serait sans doute mieux adapté à l'utilisation du H2 : besoin important d'autonomie, amortissement du surcoût grâce à l'importante durée de vie des camions, temps de stockage du carburant limité car utilisation intensive, ... Il ne serait pas étonnant de voir ce secteur se préparer à une transition dans les années à venir, pour se décarboner sérieusement lorsque l'hydrogène 'vert' pourra être produit en quantité industrielle !

- Le transport routier serait sans doute mieux adapté à l'utilisation du H2 que le véhicule individuel.

On pourrait également penser à d'autres marchés de niche ayant besoin d'une utilisation intensive et fréquente : minibus, autocars, taxis... Les opportunités ne manqueront pas !

L'hydrogène, on fait le point ?

Et si l'on résumait un peu tout ça ?

  • L'hydrogène présente un fort potentiel de réduction des gaz à effet de serre, uniquement à condition qu'il soit produit à partir d'énergies peu carbonées (renouvelable, nucléaire...).
  • Tant que la production d'électricité utilisera du charbon et du gaz en Europe (et ailleurs), la meilleure façon d'utiliser l'électricité décarbonée excédentaire sera de l'exporter pour mettre en arrêt les centrales les plus émettrices en CO2.
  • Si l'on parvient à décarboner la production d'électricité, ce qui devrait être LA priorité mondiale aujourd'hui pour réduire sérieusement nos émissions de GES, la transition vers un parc automobile électrique à batterie serait la méthode la plus efficace pour lutter contre le dérèglement climatique.
  • La production d'hydrogène décarboné devra servir en priorité à compenser l'intermittence des énergies renouvelables (et éviter ainsi le redémarrage de centrales à charbon ou gaz), puis se concentrer sur les industries très demandeuses, comme la sidérurgie, pour lesquelles il n'existe que peu ou pas d'alternative.
  • Enfin, dans le domaine de la mobilité, le transport routier (camions, autocars, bus...) présente des caractéristiques mieux adaptées à l'hydrogène que la voiture individuelle, au moins le temps que la technologie gagne en maturité.

De notre point de vue, la route semble donc encore longue avant de pouvoir faire le plein d'hydrogène à la pompe, mais l'avenir pourrait lui réserver une place complémentaire aux véhicules électriques à batterie. D'ici-là, la recherche doit se poursuivre pour faire progresser la technologie, afin qu'elle soit prête à être déployée lorsque la production d'électricité aura effectué une transition réelle vers le bas-carbone à l'échelle internationale.

Paul Guillard | Publié le 23 Mar 2021 - Crédit photo : lemondedelenergie.com

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