Dossier : Hydrogène : les voies du futur

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Décryptages

Les applications embarquées de l’hydrogène

Le stockage de l’hydrogène et sa distribution est 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

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. A 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, nickel, 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

Divers progrès techniques permettent d’envisager un avenir pour la « voiture à hydrogène ». La durée de vie 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). Plus de 500 véhicules de démonstration circulent déjà dans le monde – y compris en Chine. Les constructeurs japonais et coréens – comme Honda, Toyata, Hyundai- ont annoncé fin 2013 la commercialisation de voitures à hydrogène dès 2015, avec des autonomies satisfaisantes (500 à 700 km) et des coûts, élevés mais devenant abordables, autour de 50 000 euros. Daimler, Nissan, BMW ont manifesté l’intention de suivre.

Il faut 3 minutes pour remplir le réservoir d’une voiture à hydrogène.

La commercialisation suppose d’assurer à la future voiture à hydrogène un réseau suffisamment dense d’approvisionnement en hydrogène. Sous ses formes liquide et gazeuse, l’hydrogène se transporte par pipelines, par camions ou par bouteilles sous pression. Plus de 200 stations destinées aux véhicules existent déjà, notamment au Japon, en Californie, en Allemagne3. Sous pression de 700 bars, il faut 3 minutes pour remplir un réservoir de 5 kg4, ce qui constitue un avantage indéniable par rapport à la recharge de la voiture électrique beaucoup plus longue. Cette rapidité d’approvisionnement et l’autonomie font que la voiture à hydrogène se rapproche plus, dans ses usages, des véhicules à carburantUn carburant est un combustible liquide (comme l'essence), gazeux (comme le GPLc) ou solide (comme un propergol)... classique que des tout-électriques.

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) CEA

(3) Rapport de l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques

(4) Industrie et technologies