Mobilité routière et hydrogène

Contexte

Le secteur des transports représente 30% des émissions de gaz à effet de serre en France et 40% des émissions de CO₂. Le secteur routier représentant 94% de ces émissions, le besoin de décarboner l’ensemble des véhicules et des usages de mobilité est réel et urgent. Si les véhicules particuliers à batterie vont se généraliser dans les années à venir, d’autres applications de mobilité ont encore besoin de solutions décarbonées disruptives.

Véhicules et usages

Compte tenu de l’hétérogénéité des véhicules et des usages en matière de mobilité, aucune technologie unique ne constituera une solution miracle pour décarboner tous les types de véhicules et d’applications de mobilité. Au contraire, la décarbonation ne pourra être réalisée que par une combinaison de technologies complémentaires, chacune étant adaptée à des segments de véhicules ou des applications spécifiques :

Véhicules particuliers

Les batteries lithium-ion sont aujourd’hui largement utilisées dans les véhicules électriques, et les améliorations constantes de la technologie des batteries (par exemple, le ferro-phosphate de lithium ou les batteries à l’état solide) permettront d’obtenir des blocs de batteries moins chers et plus denses, ce qui augmentera la pénétration du marché des véhicules électriques à batterie (BEV) parmi les véhicules de tourisme à émission zéro. S’il reste des possibilités pour d’autres solutions à émissions nulles, compte tenu des difficultés que rencontrent les véhicules à batterie pour atteindre la parité de prix et de performances avec leurs homologues thermiques, il est peu probable que les véhicules électriques à hydrogène comblent cette lacune pour les raisons suivantes :

Les prix de production compatibles avec les segments des véhicules urbains, sous-compacts et compacts seront difficiles à atteindre compte tenu du coût des piles à combustible.
Les véhicules privés dépendent d’un réseau de recharge mondial et leur adoption massive est limitée par la lenteur du déploiement de ce réseau d’infrastructures.
Aujourd’hui, Toyota et Hyundai sont les deux seuls constructeurs à vendre des véhicules particuliers à pile à combustible, dans des volumes limités.

L’hydrogène est souvent cité comme une solution prometteuse pour les véhicules plus lourds ou les cas d’utilisation sur de longues distances pour lesquels les batteries offrent une autonomie insuffisante et ont un impact sur la charge utile du véhicule, notamment :

Véhicules utilitaires légers

Associés à des batteries électriques, les réservoirs d’hydrogène et les piles à combustible pourraient offrir une meilleure autonomie aux véhicules légers. Renault et Stellantis parient sur cette possibilité et ont récemment annoncé leur intention de s’emparer de 30 % du marché des véhicules légers avec des véhicules électriques hybrides batterie-hydrogène.

Autobus, bennes à ordures ménagères

Les autobus et les bennes à ordures ménagères hybrides batterie-hydrogène sont aujourd’hui une réalité. Si leur coût plus élevé, environ 3 fois supérieur à celui de leurs homologues diesel, les limite aujourd’hui à quelques unités déployées dans le cadre de projets d’innovation subventionnés, des fonds publics importants dans les années à venir pourraient apporter le soutien nécessaire pour faire passer les ventes de véhicules à des volumes économiquement viables.

Camions long-courrier

Si un seul véhicule est aujourd’hui commercialisé (Hyundai Xcient Fuel Cell), les acteurs existants du secteur du camionnage ainsi que les nouveaux venus (par exemple Hyzon) ont annoncé de nouveaux modèles long-courriers à partir de 2023.

Une exception dans l’enthousiasme de l’industrie pour l’hydrogène est Tesla. Tesla pense que les améliorations apportées aux technologies des batteries dans les années à venir permettront de résoudre les problèmes de batterie pour les applications de transport longue distance. Nous devrions suivre de près la vente de leur premier modèle de camion lourd, le Tesla Semi, plus tard cette année.

Quoi qu’il en soit, les temps de ravitaillement seront toujours en faveur des modèles à hydrogène, même avec le réseau de méga-chargeurs envisagé par Tesla.

Efficacité énergétique

Aujourd’hui, 55 kWh d’électricité sont nécessaires pour produire 1 kg d’hydrogène gazeux, qui contient lui-même l’équivalent de 33,5 kWh d’énergie (1). Au volant d’un véhicule, ce kg d’hydrogène produit 21 kWh d’énergie lorsque la pile à combustible le transforme en électricité (2).

Un véhicule électrique alimenté par une batterie n’a besoin que de 22 kWh d’énergie pour obtenir la même énergie au volant, ce qui représente un taux de conversion énergétique 2,5 fois plus favorable que celui d’une voiture à pile à combustible à hydrogène. Les rendements de la chaîne de conversion de l’hydrogène progresseront avec le temps grâce à l’amélioration constante des électrolyseurs et des piles à combustible.

N’oublions pas non plus que nous utilisons aujourd’hui des moteurs à combustion interne dont le rendement se situe entre 30 et 40 % depuis plus de 100 ans. Les taux d’efficacité globaux ne sont donc pas le seul facteur de décision. La capacité de chaque technologie à répondre aux besoins opérationnels (par exemple, autonomie, temps de charge…) des services de mobilité jouera également un rôle décisif dans le choix des technologies futures.

Émissions mondiales

Pour évaluer les avantages réels du pouvoir de décarbonation des véhicules à hydrogène, il faut prendre en compte les émissions tout au long de leur cycle de vie. Des études récentes confirment que les véhicules à pile à combustible pourraient être les véhicules les moins émetteurs de CO2 d’ici 2030 si et seulement si l’hydrogène est produit par des sources d’énergie renouvelables (3).

Autres déclencheurs potentiels de la mobilité de l’hydrogène

Rétrofit

En France, une nouvelle réglementation autorise depuis 2020 le rétrofit : la transformation des véhicules à combustion interne en véhicules électriques. Des entreprises commencent maintenant à fournir des services de conversion dans différents segments de véhicules, y compris les poids lourds. Le temps nous dira si cette industrie du rétrofit prendra suffisamment d’ampleur pour devenir un véritable contributeur à la demande d’hydrogène du secteur de la mobilité.

L’hydrogène dans les moteurs à combustion interne

Les moteurs diesel pourraient être transformés en moteurs H2-HPDI (injection directe à haute pression) en ajoutant des injecteurs de gaz, des bougies d’allumage, des soupapes, des bielles, un vilebrequin et un joint plus résistants pour tenir compte de la diffusivité et des températures de combustion plus élevées de l’hydrogène pendant la combustion. Si ces véhicules ont un rendement inférieur à celui des véhicules à pile à combustible et ne sont pas totalement exempts d’émissions puisqu’ils émettent encore un peu de NOx, ils offrent une solution intéressante pour les moteurs existants et pourraient constituer une technologie de transition pour les poids lourds jusqu’à ce que de nouveaux modèles aient entièrement remplacé le parc existant.

(1) Rapport de l’Académie des Technologies, Juin 2020, (p 52)

(2) En supposant des rendements de 65% et 95% respectivement au niveau de la pile à combustible et du moteur électrique.

(3) Transport routier : Quelles motorisations alternatives pour le climat ? – Comparaison des émissions en Cycle de vie. Carbone 4, 2020