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Piles à combustible à hydrogène : toutes les réponses à vos questions

| 12 min.
L'hydrogène et la possibilité qu'il remplace le diesel à l'avenir suscitent beaucoup d'intérêt. Mais comment cette technologie fonctionne-t-elle ? Quels sont les avantages et les inconvénients de l'hydrogène ? Comment se positionne-t-il par rapport aux camions électriques ? Voici les réponses aux questions les plus fréquentes sur les piles à hydrogène.

Qu'est-ce que l'hydrogène et pourquoi suscite-t-il tant d'intérêt ?

L'hydrogène est un élément chimique qui fait partie de nombreux composés naturels, dont l'eau. L'hydrogène (H2) utilisé dans les véhicules est un gaz inodore. Il est normalement produit en extrayant l'hydrogène de l'eau ou du gaz naturel.

Bien qu'elle fasse l'objet d'un grand battage médiatique aujourd'hui, la technologie de l'hydrogène n'a rien de nouveau. En fait, l'hydrogène est utilisé depuis longtemps pour alimenter les vaisseaux spatiaux. Mais nous assistons à un regain d'intérêt grâce à la volonté de décarboniser le secteur des transports, à la baisse du coût des énergies renouvelables et aux stratégies plus détaillées des gouvernements du monde entier pour développer davantage cette technologie.
 

Comment le carburant hydrogène est-il produit ?

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, qui consiste à séparer l'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'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 - et la fermentation, où certains types de bactéries produisent de l'hydrogène dans le cadre de leur métabolisme. L'hydrogène peut également être produit en divisant l'eau dans des cellules solaires immergées dans l'eau.  
 

Comment le carburant hydrogène est-il distribué ?

Bien qu'il soit possible de distribuer l'hydrogène par les pipelines utilisés pour le gaz naturel, la plupart de l'hydrogène utilisé comme carburant aujourd'hui est produit dans de grandes usines, puis transporté avec des remorques spéciales pour l'hydrogène liquide. L'hydrogène peut également être produit dans les stations de ravitaillement par SMR ou électrolyse. Mais cette approche est généralement coûteuse et moins efficace.
 

Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène ?

Un véhicule à pile à combustible fonctionne un peu comme un moteur à combustion interne, sauf que le système ne brûle pas l'hydrogène qu'il tire d'un réservoir pressurisé, mais le fusionne avec de l'oxygène pour produire de l'électricité qui alimente un moteur électrique. Ce processus se déroule dans une pile à combustible PEM composée d'un ensemble de plaques fines, séparées par des membranes.

Comment l'hydrogène est-il utilisé dans les camions ?

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 qui produit de l'électricité pour alimenter le véhicule. L'hydrogène peut également être utilisé comme pile à combustible auxiliaire pour prolonger l'autonomie d'un véhicule électrique alimenté par batterie.
 

Quels sont les avantages du carburant hydrogène ?

Lorsque l'hydrogène est utilisé pour alimenter une pile à combustible, les seuls produits dérivés sont l'eau et la chaleur, sans polluants ni gaz à effet de serre. Selon la manière dont l'hydrogène est produit, il peut constituer une alternative extrêmement propre au diesel. L'hydrogène a également du punch : 80 kg d'hydrogène peuvent fournir suffisamment d'énergie pour permettre à un camion de parcourir 800 km ! De plus, le processus de ravitaillement en carburant des véhicules à hydrogène est rapide et facile.

La propulsion des véhicules à pile à hydrogène est électrique. Cela signifie que l'expérience de conduite ressemble à celle d'un camion électrique : pas de bruit du moteur, un démarrage rapide et la possibilité de récupérer l'énergie de freinage.
 

Quels sont les inconvénients du carburant hydrogène ?

L'hydrogène est très réactif, il a donc tendance à éroder d'autres matériaux et il est également très inflammable - des facteurs qui rendent son transport difficile et coûteux. Un autre problème majeur est le manque d'infrastructures pour 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 GNC existante peut être utilisée pour transporter et stocker l'hydrogène, ce n'est pas une bonne solution pour les piles à combustible qui doivent fonctionner avec de l'hydrogène très propre.

En outre, la fabrication des piles à combustible à hydrogène est coûteuse, car la production se fait encore 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, il y a le coût du carburant hydrogène qui est nettement plus élevé que celui du diesel.
 

Dans quelle mesure l'hydrogène est-il écologique ?

Lorsque l'hydrogène réagit avec l'oxygène dans une pile à combustible, le seul résultat est de l'eau. Ainsi, lorsqu'un camion est alimenté par une pile à combustible, il n'y a pas d'émissions nocives à l'échappement. Mais toute mesure de l'impact climatique doit également tenir compte du processus de production de l'hydrogène, qui est très gourmand en énergie. À l'heure actuelle, la plupart de l'hydrogène est produit à partir de charbon ou de gaz naturel. Mais si l'électricité utilisée pour la production provient de sources d'énergie renouvelables, l'empreinte carbone du carburant hydrogène peut être proche de la neutralité (on parle alors d'« hydrogène vert »). Un autre moyen de réduire l'empreinte de l'hydrogène est le captage et le stockage du carbone (CSC), qui consiste à capter, transporter et stocker de manière permanente les émissions de CO2 produites par les systèmes de stockage à sec.
 

Comment les camions à hydrogène et électriques se comparent-ils ?

Pour qu'une alternative au diesel connaisse la réussite, elle doit offrir un avantage clair en termes de coût, d'autonomie et de disponibilité de l'infrastructure.  Voici comment les piles à hydrogène se positionnent par rapport aux véhicules électriques :

Coût : les piles à hydrogène et les batteries lithium-ion sont toutes deux 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 avec un moteur à combustion - pourrait se situer dès 2022. Le développement et le déploiement des véhicules à hydrogène ayant été limités, il est difficile de mesurer des gains similaires.

Autonomie : les piles à hydrogène ont une densité énergétique supérieure à celle des batteries et offrent donc une plus grande autonomie à un véhicule. En fait, le rapport énergie/poids d'un réservoir d'hydrogène de 700 bars est dix fois supérieur à celui d'une batterie. Les piles à hydrogène sont également plus légères que les batteries, ce qui signifie que les véhicules à hydrogène peuvent gérer une charge utile plus importante.

Infrastructures : le développement et la production des batteries lithium-ion ont progressé bien plus que les piles à hydrogène. Les camions électriques se sont avérés commercialement viables, notamment dans le transport urbain. L'infrastructure de ravitaillement pour les véhicules électriques a également beaucoup progressé. Aux États-Unis par exemple, il y avait 20 000 stations de recharge électrique en 2018 et moins de 45 stations de recharge en hydrogène.
 

L'hydrogène remplacera-t-il les camions diesel ou électriques ?

L'hydrogène prend beaucoup d'ampleur. La plupart des grands constructeurs de voitures et de camions, dont Volvo Trucks, mènent des recherches, travaillent sur des solutions et forment 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 » à la suite de la crise de la COVID-19, les gouvernements manifestent un intérêt (et des investissements !) accrus pour l'hydrogène. En mai dernier, l'UE a dévoilé un plan de relance de 750 milliards d'euros pour financer les transports et les secteurs verts. Ce plan, qui s'articule autour du « Green Deal » européen, 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. Une alliance européenne pour l'hydrogène propre, qui réunit des investisseurs et des partenaires gouvernementaux, institutionnels et industriels, a également été annoncée plus tôt cette année.

Bien que ces développements 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 toutefois très prometteur dans le domaine du transport lourd et exigeant sur longue distance, où il peut être utilisé pour alimenter une chaîne cinématique électrique. Cela signifie que, plutôt que de remplacer les camions électriques, qui sont plus adaptés à la distribution et au transport régional, les deux technologies peuvent travailler ensemble pour développer un système de transport plus durable.

Pour ce qui est de savoir si l'hydrogène pourrait remplacer le moteur diesel, la pression en faveur 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.
 

Carburants alternatifs : évaluer le pour et le contre

Piles à hydrogène, camions électriques, biocarburants, bio-GNL,... la liste des différentes alternatives au diesel ne cesse de s'allonger. En tant qu'opérateur de transport, il peut être difficile de comprendre et de s'orienter dans le paysage des carburants alternatifs. Pour vous aider, j'ai préparé un guide qui donne un aperçu du fonctionnement de chaque technologie ainsi que de leurs avantages et inconvénients. 

Lars Mårtensson

Lars Mårtensson works as Environment and Innovation Director at Volvo Trucks.

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