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L'hydrogène est un élément chimique présent dans de nombreux composés naturels, dont l'eau. L'hydrogène (H2) utilisé dans les véhicules est un gaz inodore, normalement produit en extrayant l'hydrogène de l'eau ou du gaz naturel.
Bien qu'elle fasse l'objet d'un important battage, la technologie de l'hydrogène n'a rien de nouveau. En réalité, l'hydrogène est utilisé depuis longtemps pour alimenter les engins spatiaux. Mais il connaît un regain d'intérêt grâce à la volonté de décarboner le secteur des transports, à la baisse du coût des énergies renouvelables et aux stratégies plus détaillées des gouvernements du monde entier pour développer cette technologie.
Le reformage du méthane à la vapeur, ou SMR, est la méthode la plus courante pour produire de l'hydrogène à grande échelle industrielle. Dans ce processus, le méthane contenu dans le gaz naturel réagit avec la vapeur, produisant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le monoxyde de carbone subit d'autres réactions, générant davantage d'hydrogène. L'hydrogène peut également provenir de l'eau grâce à un processus appelé électrolyse, où l'eau est séparée en hydrogène et en oxygène grâce à l'électricité.
Il existe également d'autres sources d'hydrogène, comme la gazéification de la biomasse, où la matière végétale est chauffée et réagit pour produire de l'hydrogène et du dioxyde de carbone, ainsi que la fermentation, où certains types de bactéries génèrent de l'hydrogène du fait de leur métabolisme. L'hydrogène peut également être produit en divisant l'eau dans des cellules solaires immergées dans l'eau.
Bien qu'il soit possible de distribuer l'hydrogène par l'intermédiaire des pipelines utilisés pour le gaz naturel, la plupart de l'hydrogène actuellement utilisé comme carburant est produit dans de grandes usines, puis transporté dans des remorques spéciales pour l'hydrogène liquide. L'hydrogène peut également être produit dans les stations de ravitaillement grâce au SMR ou à l'électrolyse. Mais cette approche est généralement coûteuse et moins efficace.
Un véhicule à pile à combustible fonctionne à la manière d'un moteur à combustion interne, mais le système ne brûle pas l'hydrogène qu'il tire d'un réservoir pressurisé. À la place, il fusionne cet hydrogène avec de l'oxygène pour produire de l'électricité afin d'alimenter un moteur électrique. Ce processus se déroule dans une pile à combustible MEP (membrane à électrolyte polymère) composée d'un ensemble de plaques fines, séparées par des membranes.
L'hydrogène peut être utilisé pour alimenter un moteur à combustion interne, qui est similaire à un moteur à gaz naturel comprimé (GNC). Une autre solution consiste à utiliser l'hydrogène dans une pile à combustible où il génère de l'électricité pour alimenter le véhicule. L'hydrogène peut également être utilisé comme une pile à combustible auxiliaire pour accroître l'autonomie d'un véhicule électrique alimenté par batteries.
Lorsque l'hydrogène est utilisé pour alimenter une pile à combustible, les seuls sous-produits sont l'eau et la chaleur : aucun polluant ni gaz à effet de serre. Selon la façon dont l'hydrogène est produit, il peut constituer une alternative extrêmement propre au Diesel. L'hydrogène est également extrêmement énergétique : 80 kg d'hydrogène peuvent fournir suffisamment d'énergie pour permettre à un véhicule de parcourir 800 km ! De plus, le processus de ravitaillement des véhicules à hydrogène est rapide et aisé.
La propulsion des véhicules à pile à combustible à hydrogène est électrique. Cela signifie que l'expérience de conduite est similaire à celle d'un véhicule électrique : aucun bruit en provenance du moteur, démarrage rapide et possibilité de récupérer l'énergie de freinage.
L'hydrogène est très réactif, il a donc tendance à éroder les autres matériaux et il est également très inflammable, autant de facteurs qui rendent son transport difficile et coûteux. Un autre problème majeur est le manque d'infrastructures dédiées à l'hydrogène et le coût élevé de leur construction. Aujourd'hui, il n'existe que 337 stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde, la plupart en Allemagne et au Japon. Bien qu'il ait été démontré que l'infrastructure existante dédiée au GNC peut être utilisée pour transporter et stocker l'hydrogène, il ne s'agit pas d'une solution satisfaisante pour les piles à combustible, qui doivent fonctionner avec de l'hydrogène très propre.
De plus, la fabrication des piles à combustible à hydrogène est coûteuse, car la production se fait toujours à petite échelle et implique des processus manuels. Un autre élément clé du coût est le réservoir d'hydrogène, qui est volumineux et prend beaucoup de place. Enfin, le coût de l'hydrogène en tant que carburant est nettement plus élevé que celui du Diesel.
Lorsque l'hydrogène réagit avec l'oxygène dans une pile à combustible, le seul produit résultant est l'eau. Ainsi, lorsqu'un véhicule est alimenté par une pile à combustible, aucune émission nocive n'est générée à l'échappement. Mais les mesures d'impact climatique doivent également tenir compte du processus de production de l'hydrogène, extrêmement consommateur d'énergie. Actuellement, la plupart de l'hydrogène est produit à partir du charbon ou du gaz naturel. Mais si l'électricité utilisée pour la production provient de sources d'énergie renouvelables, l'empreinte carbone de l'hydrogène en tant que carburant peut être quasiment neutre (on parle alors d'« hydrogène vert »). Un autre moyen de réduire l'empreinte de l'hydrogène est le captage et stockage du carbone (CSC), qui consiste à capter, transporter et piéger définitivement sous terre les émissions de CO2 provenant du SMR.
Pour qu'une alternative au Diesel connaisse le succès, elle doit proposer un avantage clair en matière de coût, d'autonomie et de disponibilité de l'infrastructure. Voici comment les piles à combustible à hydrogène se positionnent par rapport aux véhicules électriques :
Coût : les piles à combustible à hydrogène et les batteries lithium-ion sont plus chères que le Diesel. Cependant, le coût des batteries lithium-ion diminue rapidement. Bloomberg prévoit que le point d'intersection — lorsque les véhicules électriques deviendront moins chers que leurs équivalents dotés d'un moteur à combustion — pourrait intervenir dès 2022. En raison de la limitation du développement et du déploiement des véhicules à hydrogène, il est difficile de mesurer des gains similaires.
Autonomie : les piles à combustible à hydrogène ont une densité énergétique supérieure à celle des batteries et procurent donc une autonomie supérieure. En réalité, le rapport énergie/poids d'un réservoir d'hydrogène à une pression de 700 bars est 10 fois supérieur à celui d'une batterie. Les piles à combustible à hydrogène sont également plus légères que les batteries, ce qui signifie que les véhicules à hydrogène peuvent accepter une charge utile plus importante.
Infrastructure : le développement et la production ont bien plus progressé sur les batteries lithium-ion que sur les piles à combustible à hydrogène. Les véhicules électriques se sont avérés commercialement viables, notamment dans le transport urbain. De même, l'infrastructure de ravitaillement des véhicules électriques a considérablement progressé. Par exemple, aux États-Unis, 20 000 stations de recharge électrique étaient présentes en 2018 et moins de 45 stations de ravitaillement en hydrogène.
L'hydrogène connaît un essor important. La plupart des grands constructeurs de voitures et de poids lourds, dont Volvo Trucks, mènent des recherches, travaillent sur des solutions et constituent des partenariats pour développer cette technologie. Mais l'industrie automobile n'est pas la seule à prendre conscience du potentiel de l'hydrogène.
Face aux inquiétudes croissantes que suscite le changement climatique et aux demandes de « relance verte » suite à la pandémie de COVID-19, les gouvernements manifestent un intérêt accru (et consacrent des investissements accrus !) pour l'hydrogène. En mai dernier, l'UE a présenté un plan de relance de 750 milliards d'euros pour financer l'écomobilité et les industries vertes. Ce plan, qui s'articule autour du « Pacte vert pour l'Europe », fait de l'hydrogène une priorité et prévoit de développer cette technologie grâce à un programme d'investissement et au libre-échange transfrontalier de l'hydrogène. L'Alliance européenne pour un hydrogène propre, qui réunit des investisseurs et des partenaires gouvernementaux, institutionnels et industriels, a également été annoncée plus tôt cette année.
Bien que ces avancées soient de bon augure pour l'avenir de l'hydrogène dans le secteur du transport routier, il existe encore de nombreux obstacles à sa contribution significative sur le plan climatique ou économique. L'hydrogène est cependant très prometteur dans le domaine du transport lourd et exigeant sur de longues distances, où il peut être utilisé pour alimenter une chaîne cinématique électrique. Cela signifie qu'au lieu de remplacer les véhicules électriques, plus adaptés à la distribution et au transport régional, les deux technologies peuvent cohabiter pour proposer un système de transport plus durable.
Quant à savoir si l'hydrogène pourrait remplacer le moteur Diesel, la demande de transports plus durables signifie que l'hydrogène remplacera probablement certains véhicules Diesel. Surtout s'il existe une analyse de rentabilité et un avantage concurrentiel clairs.
Piles à combustible à hydrogène, véhicules électriques, biocarburants, bio-GNL… la liste des alternatives au Diesel ne cesse de s'allonger. Pour un opérateur de transport, il peut être difficile de comprendre et de s'y retrouver dans les différents carburants alternatifs. Pour vous aider, j'ai préparé un guide qui présente le fonctionnement des différentes technologies ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients.