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La vérité sur la pile à combustible
Beaucoup voient dans la propulsion à l'hydrogène le sauveur de la mobilité neutre en CO2. Mais les préjugés sont nombreux. Qu'est-ce qui est vrai et qu'est-ce qui ne l'est pas ? Nous faisons la lumière sur ces questions.
"Les voitures équipées d'une pile à combustible sont dangereuses".
Cette rumeur a été alimentée par un accident survenu dans une station-service à hydrogène en Norvège, mais l'accident a surtout prouvé que l'hydrogène (H2) brûle et forme avec l'oxygène un mélange inflammable à partir d'une teneur en H2 de 4 à 75 pour cent ; il est explosif à partir d'une teneur en H2 de 18 pour cent. Mais cela ne se produit pas facilement : l'hydrogène est 14 fois plus léger que l'air et se volatilise rapidement. La situation est plus problématique lorsque l'hydrogène se retrouve dans des cavités fermées vers le haut. Il faudrait toutefois que celles-ci soient très étanches, car l'hydrogène s'infiltre par les plus petites fissures.
En 2003 déjà, des chercheurs de l'université de Miami (États-Unis) ont fait un test : ils ont mis le feu à une voiture avec un réservoir d'essence et à une autre avec un réservoir d'hydrogène sous pression, chacune avec des conduites de carburant qui fuyaient. Que s'est-il passé ? Comme on pouvait s'y attendre, les deux véhicules ont pris feu. Des différences sont toutefois apparues dans le déroulement : La voiture à essence s'est embrasée au bout de 60 secondes et a brûlé entièrement, tandis que la voiture à hydrogène est restée pratiquement intacte, car l'hydrogène s'est rapidement propulsé vers le haut dans un énorme jet de flamme, sans toutefois causer de dégâts.
"L'hydrogène ne peut être stocké dans des réservoirs qu'avec des pertes".
Dans le cas de la BMW Hydrogen 7 de 2006 (photo ci-dessous), qui brûlait de l'hydrogène dans un moteur à piston alternatif, le gaz était stocké sous forme liquéfiée dans le réservoir à haute isolation thermique par grand froid (-250 °C), mais il se réchauffait bien sûr quand même. Pour que la pression ne soit pas trop élevée, l'hydrogène doit pouvoir s'échapper du réservoir sous forme de gaz. Le réservoir d'hydrogène liquide à moitié plein de l'Hydrogen 7 s'est ainsi vidé en neuf jours. Cela ne serait pas un problème pour l'environnement, mais pour l'utilisateur, oui.
Les voitures à pile à combustible actuelles transportent l'hydrogène sous forme gazeuse dans des réservoirs sous pression de 700 bars. D'après les expériences faites avec le GNC (gaz naturel comprimé), les parois de ces réservoirs sont composées de plusieurs couches de matériaux différents, de sorte que même les minuscules atomes d'hydrogène ne peuvent guère les traverser. Les pertes sont donc désormais marginales. Elles continuent à se produire lors de la compression (un peu plus de douze pour cent). La pression élevée rend le système de réservoir coûteux. Il pèse environ 125 kilogrammes et peut contenir 4,4 kilogrammes sur la Mercedes GLC F-Cell. La consommation aux 100 kilomètres est d'environ un kilogramme, l'autonomie est donc de 400 kilomètres. À titre de comparaison, la batterie d'une Tesla Model S à l'autonomie similaire pèse environ 650 kilogrammes.
"Les voitures à hydrogène sont inefficaces".
Selon le professeur Christian Mohrdieck, responsable du développement des piles à combustible au sein du groupe Daimler, les piles à combustible modernes atteignent un rendement de 83 pour cent, l'ensemble du véhicule atteint un bon 50 pour cent - les voitures électriques 90 pour cent. Les pertes se produisent surtout lors de la charge rapide - le rendement peut alors chuter à 75 pour cent.
Si l'on considère l'ensemble de la chaîne, de la production d'hydrogène à la transformation en énergie électrique ou cinétique, la voiture à pile à combustible n'atteint plus qu'un rendement de 29 à 32 pour cent. Elle n'est donc que légèrement meilleure qu'une voiture à essence (22 %) ou qu'un diesel (25 %). Mais même si l'hydrogène est produit à partir de gaz naturel, le rendement "well-to-wheel" (du puits à la roue) de la voiture à pile à combustible est supérieur d'environ 25 % à celui de la voiture à essence.
Même la voiture électrique n'est que légèrement meilleure que la voiture à pile à combustible si l'on considère le "well-to-wheel" (y compris la production d'électricité). Important : la pile à combustible en tant que convertisseur d'énergie - elle transforme l'hydrogène en courant électrique - ne peut jamais être aussi efficace qu'une batterie en tant que simple accumulateur d'énergie. En revanche, la chaleur dégagée par la pile à combustible peut être utilisée pour chauffer les véhicules.
Au fond, la discussion sur le rendement est académique, car le bilan CO2 est plus important. Et sur ce point, les choses se présentent bien pour la pile à combustible. Le grand avantage de l'hydrogène : il est imbattable comme stockage transportable de grandes quantités d'énergie. Cela devrait être décisif, surtout pour les VL et les bus. Et comme stockage stationnaire de l'énergie, l'hydrogène est encore plus supérieur aux batteries : plus polyvalent, plus flexible, moins cher.
"L'hydrogène doit être produit ; cela coûte beaucoup d'énergie".
L'hydrogène, comme le sait Wikipedia, "est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers, mais pas dans l'écorce terrestre". En effet, l'exploitation de gisements d'hydrogène moléculaire sur Terre n'est guère possible. D'un autre côté, l'hydrogène est relativement facile à obtenir, en principe en n'importe quelle quantité, puisqu'il est justement contenu dans l'eau. Il peut également être produit à partir de sources d'énergie fossiles comme le gaz naturel. La production par électrolyse est en revanche potentiellement "verte", si l'électricité nécessaire est neutre en termes de CO2. Pour simplifier, l'électrolyse fonctionne en mettant un bassin d'eau sous tension. De l'hydrogène monte alors à la cathode et de l'oxygène à l'anode. Les deux réunis produisent à nouveau de l'électricité - et de l'eau - via une pile à combustible. En principe, c'est un cycle merveilleux - surtout avec de l'électricité neutre en CO2. Nous en avons de toute façon besoin. Ce n'est alors plus le rendement qui joue un rôle décisif, mais la capacité de stockage et de transport, car la production d'énergie alternative connaît des pics importants. Les experts chiffrent par exemple le besoin de stockage pour l'Allemagne entre 200 et 300 térawattheures par an.
L'hydrogène pourrait en outre réduire le CO2 dans la production d'acier en remplaçant le coke comme combustible et agent réducteur dans les hauts fourneaux. Avec l'hydrogène, la production d'acier ne génère pas de CO2, mais elle nécessite davantage d'énergie externe. Si celle-ci et l'hydrogène proviennent de sources renouvelables, l'économie de CO2 atteint 100 pour cent. Quel est le rapport avec les voitures ? D'une part, elles sont composées en grande partie d'acier, et d'autre part, toute une industrie aurait besoin de beaucoup plus d'hydrogène que les transports n'en auront jamais besoin, c'est-à-dire qu'il y aurait probablement beaucoup d'hydrogène produit, de sorte que l'approvisionnement des voitures ne serait pas un problème. La quantité d'hydrogène actuellement produite en Allemagne suffirait déjà à alimenter environ 750 000 voitures.
"Le bilan CO2 des voitures à hydrogène est mauvais".
C'est une idée fausse. Les voitures à batterie électrique sont certes difficiles à battre en termes de rendement "tank-to-wheel", c'est-à-dire du ravitaillement en électricité à la conduite. Mais avec le mix électrique actuel, le bilan CO2 de la voiture à pile à combustible est légèrement meilleur que celui des voitures électriques sur toute sa durée de vie. Et en ce qui concerne la production, rien ne s'oppose à ce que les voitures à pile à combustible suivent la même évolution que les voitures électriques. Celles-ci génèrent aujourd'hui encore 80 pour cent d'émissions de CO2 de plus qu'une voiture à combustion lors de leur fabrication, mais elles économisent environ 65 pour cent de CO2 par rapport au mix électrique conventionnel lorsqu'elles roulent. Ainsi, leurs émissions totales de CO2 sur l'ensemble du cycle de vie sont inférieures d'au moins 40 pour cent à kilométrage égal. Si le véhicule à batterie ne fonctionne qu'avec de l'électricité renouvelable, ses émissions de CO2 sur l'ensemble de son cycle de vie diminuent de 70% par rapport à un véhicule à combustion. Les chiffres sont très similaires pour la propulsion par pile à combustible, qui génère moins d'émissions que le véhicule à batterie lors de la production, mais plus lors de la conduite, et pour laquelle la mise à disposition d'hydrogène a une grande influence sur l'effet global.
L'avance des voitures électriques en matière de bilan CO2 continuera de croître à l'avenir, car "l'optimisation de la technologie et de la production des batteries offre un grand potentiel d'économies supplémentaires", explique-t-on par exemple chez Mercedes. Les batteries actuelles produisent déjà environ 25% d'émissions de CO2 en moins que celles de la première génération. Pour la prochaine génération, les experts prévoient des économies du même ordre de grandeur : les futures batteries ne produiront donc plus que la moitié des émissions de CO2 de la première génération et un tiers de moins que l'actuelle.
Au total, la voiture à pile à combustible, malgré sa propre batterie - comparativement plus petite - est au moins aussi pauvre en CO2 que la voiture purement électrique à batterie. Mais l'hydrogène permet de faire le plein d'autonomie en quelques minutes, sans avoir à transporter de grosses batteries, donc lourdes. Cette dernière caractéristique qualifie nettement mieux la pile à combustible pour les véhicules utilitaires.
"Les voitures à pile à combustible sont un produit de niche".
Au vu des avantages indéniables, la question se pose justement en ces temps de protection du climat : pourquoi la voiture à hydrogène n'arrive-t-elle pas (encore) ? La diffusion en masse des voitures à pile à combustible échoue actuellement en raison de la production trop coûteuse des voitures et de l'infrastructure. Selon le professeur Mohrdieck, ces deux problèmes peuvent être résolus par une mise à l'échelle. Pour des quantités à six chiffres, la production d'une voiture à pile à combustible est possible à des coûts similaires à ceux d'une voiture électrique à batterie. La production de masse rationnelle des couches d'électrodes et des membranes intermédiaires (en anglais : stacks) empilées dans les piles à combustible sera un grand pas vers une réduction des coûts. Actuellement, les couches de membranes et d'électrodes sont encore produites individuellement, mais à l'avenir, elles seront fabriquées d'un seul tenant sur des rouleaux.
Chez Mercedes (et Audi), le développement s'oriente actuellement vers la combinaison d'un entraînement électrique par batterie et d'un entraînement par pile à combustible. Mohrdieck déclare à ce sujet : "La Mercedes GLC F-Cell, hybride des deux types de propulsion, est une étape importante pour nous, même sans gros volumes de véhicules. La batterie et la pile à combustible forment une symbiose. Les deux technologies se complètent très bien : la puissance et la dynamique de la batterie soutiennent la pile à combustible à grande autonomie et au ravitaillement rapide, dont l'état de fonctionnement idéal se situe plutôt dans la plage de charge partielle. On pourrait imaginer à l'avenir une combinaison de modules de batteries et de piles à combustible évolutifs - en fonction du scénario de mobilité et du type de véhicule".
Mohrdieck estime que "vers le milieu de la prochaine décennie - mais certainement après 2025 - la pertinence de la pile à combustible en général et pour le secteur des transports augmentera de manière significative. Dans ce contexte, des volumes modérés aideront à créer des standards qui seront essentiels, notamment pour la réduction des coûts".
La voiture du futur sera certainement électrique. Faut-il encore qu'elle ait un principe de propulsion qui convienne à chaque utilisation connue actuellement ? Au lieu de l'hybride à pile à combustible, on pourrait imaginer des voitures purement électriques à batterie pour les courts trajets et des voitures à pile à combustible pour les longs trajets. Mais on ne pourra pas se passer totalement d'hydrogène.
"Les voitures équipées d'une pile à combustible produisent de la vapeur d'eau, un gaz climatique".
La vapeur d'eau provoque en principe un réchauffement dans l'atmosphère et est donc également considérée comme un gaz climatique. Mais, étonnamment, l'utilisation d'une voiture à pile à combustible n'émet guère plus d'eau que celle d'un véhicule à combustion, car l'essence est composée d'hydrocarbures. Sa combustion libère donc également de la vapeur d'eau. Toutefois, dans le cas d'une voiture à pile à combustible, la vapeur d'eau a une température beaucoup plus basse et se condense plus tôt. C'est pourquoi l'eau produite lors du fonctionnement est en partie récupérée et réutilisée pour humidifier la pile à combustible. Il n'y a donc pas non plus de risque de verglas avec les voitures à pile à combustible. Pour les avions équipés de piles à combustible, la récupération de l'eau serait d'ailleurs intéressante : on pourrait éviter d'emporter environ 90% de l'eau des toilettes - une possibilité intéressante également pour les camping-cars. Bref, le fait que l'eau soit produite lors du fonctionnement des voitures à pile à combustible n'est un problème ni pour l'environnement ni pour la circulation.
"Les stations-service à hydrogène sont beaucoup trop chères".
La plupart des experts estiment actuellement le coût de la construction d'une station-service à hydrogène à environ un million de francs. Dans le même temps, on estime par exemple à environ 1000 le nombre de stations-service nécessaires pour couvrir l'ensemble du territoire allemand - beaucoup moins que les points de recharge en raison des temps de ravitaillement courts. L'infrastructure pour les voitures à pile à combustible s'élèverait donc à environ un milliard de francs. Cela semble beaucoup, mais ce n'est pas le cas. A titre de comparaison, le scandale du diesel a coûté jusqu'à présent environ 30 milliards de francs au groupe Volkswagen. Tout comme les voitures à pile à combustible, les stations-service à hydrogène pourraient devenir nettement moins chères (d'un million de francs actuellement à environ 400 000 francs) grâce aux économies d'échelle réalisées lors d'une sorte de production de masse.
La diffusion en masse des voitures à pile à combustible ne devrait pas échouer en raison de l'infrastructure. Toutefois, la diffusion encore très faible des voitures à pile à combustible freine le développement d'un plus grand nombre de stations-service à hydrogène - un problème classique de la poule et de l'œuf.
"Les voitures à pile à combustible ont besoin de trop de platine".
De même que l'on parle volontiers du cobalt ou du lithium pour les voitures électriques, qui rendraient impossible une production de masse, il existe des objections similaires contre la pile à combustible. Car pour la fabriquer, il faut du platine, un métal précieux très cher. D'autre part, nous utilisons du platine dans les catalyseurs des moteurs à essence depuis les années 1980. On n'entend pas de discussions à ce sujet. Faut-il autant de platine pour une pile à combustible que pour le catalyseur d'un moteur à combustion ? Au début, oui. Aujourd'hui encore, le platine est utilisé comme catalyseur dans la pile à combustible (stack). Pour le nouveau GLC F-Cell, Mercedes a pu réduire la quantité de platine de 90 pour cent par rapport à la Classe B à hydrogène de 2009. Dans la prochaine étape, le professeur Mohrdieck promet qu'elle "ne sera plus que légèrement supérieure à celle du catalyseur d'une voiture à essence comparable, soit environ huit à dix grammes".
De plus, le taux de recyclage du platine dans les catalyseurs des moteurs à essence est déjà de 98 pour cent. Selon Mohrdieck, des valeurs similaires sont également envisageables pour la pile à combustible.
Conclusion
La propulsion par pile à combustible offre une mobilité potentiellement neutre en termes de CO2, et l'hydrogène, grâce à sa bonne capacité de stockage pour les véhicules lourds ou les longs trajets, des avantages également par rapport à la propulsion électrique par batterie. Tant que l'économie de CO2 n'est rentable pour personne en tant qu'avantage financier, la technique est relativement chère. Il faut donc une volonté politique pour l'imposer. Une fois qu'elle sera produite en masse, son prix devrait baisser à un niveau supportable.
Texte : Gerd Stegmaier
Photos : Hyundai, Mercedes, BMW, Flaticon.Com, Vecteezy.Com