Dossier : Hydrogène : les voies du futur

3 contenus dans ce dossier

J'approfondis
Imprimer

Décryptages

Les applications embarquées de l’hydrogène

Le stockage de l’hydrogène et sa distribution sont la principale difficulté pour développer l’utilisation de l’hydrogène en mode embarqué, notamment dans le secteur très prometteur de l’automobile. Mais les recherches progressent, notamment vers un stockage « solide » évitant la compression ou la liquéfaction. 

Ilôt de carburant avec volucompteur à hydrogène à la station Total de Munich, en Allemagne. © BLAISE BERNARD / TOTAL

Le défi de l’utilisation de l’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. dans le secteur de l’automobile tient en trois chiffres : pour parcourir quelque 500 km, une voiture électrique a besoin de 4,5 kg d’hydrogène, qui, à la pression atmosphérique, occupent un volume d’environ 50 000 litres. 1 2 L’enjeu est donc de maîtriser un tel volume dans toutes les opérations de transport et de stockage, en assurant une sécurité maximale.

Liquéfaction et compression

La voie de la liquéfactionLa liquéfaction désigne l'un des changements d'état de la matière, de l'état gazeux vers l'état liquide... est pratiquée à l’échelle industrielle, notamment dans les filières spatiales et électroniques, mais elle suppose de maintenir le gaz à -253 °C , ce qui est difficile – mais pas impossible – à réaliser dans une voiture.

La voie de la compression a été mise en pratique dans une série de prototypes. Une compression dans des bouteilles à 350 bars permet de faire circuler des véhicules comme les bus, c’est-à-dire qui n’ont pas besoin d’une grande autonomie et peuvent accueillir de gros réservoirs.

Pour l’automobile particulière, les constructeurs se sont dirigés vers des réservoirs à une pression de 700 bars. À une telle pression, 4,5 kg d’hydrogène peuvent être contenus dans trois réservoirs d’environ 35 litres chacun, ce qui assure une autonomie satisfaisante (1 kg d’hydrogène permet de parcourir jusqu’à 130 km).

Encore faut-il que les réservoirs résistent : leur partie interne, le « liner », assure l’étanchéité grâce à des matériaux polymères et une coque externe assure la résistance aux chocs grâce à des fibres de carbone comme celles utilisées dans l’aéronautique. Les constructeurs effectuent d’ailleurs des tests de résistance avec tirs à balles réelles… Cela influe sur le poids : il faut un réservoir de 100 kg pour stocker 6 kg d’hydrogène. Le poids, bien sûr, accroît la consommation du véhicule, ce qui n’est pas un problème négligeable.

300 grammes : le poids d’une « cartouche » à hydrogène utilisable pour de petits équipements 

Le stockage solide

Une troisième voie s’est ouverte depuis quelques années : le stockage solide. Certains matériaux, les hydrures (de titane, de nickel, de magnésium…), sont capables d’absorber l’hydrogène puis de le relâcher. Ils se présentent sous forme de poudre qui capte l’hydrogène un peu comme une éponge. La technique présente trois inconvénients : le poids des composés métalliques, le fait qu’il faut apporter de la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... pour récupérer l’hydrogène,  et le coût encore élevé de la fabrication. Mais dès à présent, elle est utilisée dans un certain nombre d’installations stationnaires, là où le poids n’est pas un problème majeur. Des recherches sont conduites pour abaisser la température de fonctionnement et le poids.

Si l’on n’a pas besoin d’une grande capacité énergétique, on peut parvenir à une miniaturisation. Un vélo prototype, fonctionnant avec une batterie et une pile à combustibleUne pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible réducteur au niveau d'une première électrode..., utilise des petites cartouches de 300 g de bromohydrure de sodium qui libèrent de l’hydrogène au contact de l’eau.

Vers la commercialisation de voitures à hydrogène

Si l’on veut être précis, la « voiture à hydrogène » est un « véhicule électrique à pile à combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... (PAC) », par rapport à la voiture électrique classique, dite « véhicule électrique à batterie ». Ce sont en effet toutes deux des voitures à motorisation électrique.

Les voitures à PAC ont fait leur apparition commerciale, même s’il s’agit encore de marchés minuscules. La Toyota Mirai et la Hyundai ix35 ont été mondialement lancées en 2015, la Honda Clarity en septembre 2016. D’autres producteurs, comme BMW, Daimler ou Nissan ont des projets prudents. Il y a aussi une myriade d’essais ponctuels : la Poste française, par exemple, utilise des voiturettes à PAC dans quelques régions et Toyota commercialise à Tokyo des bus depuis 2017. Un projet européen, Volumetriq, vise à développer les composants des véhicules à hydrogène.

Les conditions d’utilisation sont encore complexes :

  • Les stations de recharge sont très peu nombreuses : quelques centaines dans le monde, où l’hydrogène est distribué sous forme gazeuse compressée, existent déjà, notamment au Japon (près de 100), en Californie, en Allemagne. La nécessité d’assurer une bonne sécurité rend le coût de chacune de ces stations élevé. En revanche, sous pression de 700 bars, il faut 3 minutes pour remplir un réservoir de 5 kg, ce qui constitue un avantage indéniable par rapport à la recharge de la voiture électrique beaucoup plus longue.
  • L’autonomie est satisfaisante (500 à 700 km).
  • La durée de vie des piles a atteint 5 000 heures (les 8 000 heures sont en vue) et devient comparable à la durée moyenne d’utilisation d’un véhicule individuel classique, que l’on estime à 4 ou 5 000 heures (200 000 km à 50 km/h de moyenne).
  • Les coûts des véhicules sont encore élevés, dans une fourchette de 50 à 80 000 euros.
  • Le problème du transport de l’hydrogène vers les stations-services reste difficile. Sous forme comprimée, le coût des compresseurs et des réservoirs est élevé. Sous forme liquide, il faut avoir recours à la cryogénie avec la difficulté de maîtriser la chaine de l’extrême froid. Mais des études poussées sont conduites par de grandes sociétés, sur le principe de la bouteille thermos (double isolation avec un vide entre les deux).
  • Les progrès du stockage solide pourraient en outre permettre un saut qualitatif dans la résolution des problèmes de la distribution.

 

 

Sources :

(1) La Recherche

(2) Source CNRS