Changement climatique, crise de l’énergie, pression des écologistes, ont conduit la majorité des grands pays industriels à élaborer des plans de « décarbonisation » de leurs sociétés. L’utilisation des énergies fossiles dont la combustion génère au niveau de notre planète des millions de tonnes de CO2 tous les ans a été bannie à plus ou moins long terme. Les principaux domaines visés : l’habitat à cause du chauffage, l’automobile et les transports en général à cause des moteurs thermiques et enfin les industries lourdes.

Pour l’automobile, après avoir mené d’énormes recherches pour réduire la consommation dans les moteurs thermiques classiques, après avoir diminué les émissions de CO2 dans les dernières versions des moteurs diesel et mis en service des moteurs hybrides, il a fallu se rendre à l’évidence : pour atteindre les objectifs fixés il faudrait abandonner le pétrole et ses dérivés et trouver une énergie de substitution.

La réflexion a été longue et les décisions ne sont pas faciles à prendre. Les pays du nord, conscients de l’urgence, se sont lancés à corps perdu dans les véhicules électriques. Soit 100% électriques soit, sans doute de manière transitoire, hybrides rechargeables

Ces cinq dernières années ont été décisives pour valoriser le concept du véhicule mu par l’énergie électrique : l’Américain Tesla a su convaincre les plus réticents des américains, la Chine a saisi l’opportunité en développant sa propre industrie automobile en profitant  de son avancée dans la production industrielle des batteries, l’Europe a  suivi avec de grosses difficultés. Mercedes, BMW, Porsche, Peugeot, Renault, Alfa-Roméo étaient les maitres dans la technologie des motorisations thermiques et ils n’étaient pas prêts à produire en grande séries des batteries performantes. Et pourtant, urgence oblige, L’Union Européenne vient de décider la fin du moteur thermique pour 2035.

Aucun des grands producteurs automobiles n’a aujourd’hui de solution sérieuse pour le recyclage des batteries. Aucun d’entre eux n’a mis en place un réseau permettant le rechargement rapide des véhicules. Personne ne sait encore comment produire la quantité d’électricité nécessaire au fonctionnement d’un parc automobile mondial totalement électrifié. Alors les bureaux d’études de tous las grands constructeurs mondiaux se tourne vers une autre énergie : l’hydrogène.

Qu’est-ce que l’Hydrogène ?

L’hydrogène, est l'élément le plus abondant et le plus léger de notre univers. Et, dans les laboratoires on sait depuis très longtemps que la combustion d’un kilo d’hydrogène libère près de trois fois plus d'énergie que la combustion d’un kilo d’essence fossile. En contrepartie, sa densité étant moindre, il faut 4,6 litres d’hydrogène pour produire la même énergie qu’un litre d’essence. Son stockage prend donc de la place.

Jamais « prêt à l’emploi »

Le premier gisement d’hydrogène sur notre planète se trouve dans l’eau et les océans n’en manquent pas !.. Mais cet hydrogène n’est pas prêt à l’emploi. Pour le séparer de l’oxygène dans la molécule d’eau (H2O) il faut briser la liaison O-H ce qui demande de l’énergie. En fait, les lois de la physique sont impitoyables : la quantité d’énergie nécessaire pour séparer l’hydrogène et l’oxygène de la molécule d’eau est exactement égale à celle que l’hydrogène fournira lorsqu’on le brulera !..(c’est-à-dire lorsqu’il s’associera de nouveau à de l’oxygène de l’air pour reformer de l’eau)

Les autres sources d’hydrogène sur notre planète sont les molécules organiques ainsi que leurs dérivés fossiles, dont le gaz naturel (CH4). Cet hydrogène très abondant également, n’est pas non plus « prêt à l’emploi ». Il faut, cette fois-ci le séparer du carbone ce qui demande aussi de l’énergie et ce qui, par ailleurs produit du gaz carbonique.

Production industrielle d’hydrogène : la situation actuelle

L’hydrogène produit actuellement de façon industrielle a deux applications principales : la synthèse d'ammoniac (NH3) comme engrais par le procédé Haber-Bosch qui consiste à l’associer à l’azote pris dans l’air (44 % de la consommation) et la conversion du pétrole lourd en fractions plus légères, par hydrocraquage (46 %).

La production d'hydrogène, est le plus souvent réalisée par extraction chimique de combustibles fossiles, principalement du méthane, du charbon et de coupes pétrolières. La production par cette voie présente l'avantage d'un coût compétitif, mais l'inconvénient d'être à l'origine d'émissions de CO2, qui dépassent généralement dix kilogrammes de CO2 par kilogramme d'hydrogène produit.

La production mondiale d’hydrogène représente 94 millions de tonnes en 2021, dont 62 % provient du vaporeformage du méthane, 18 % de l'oxydation partielle du pétrole, 19 % de la gazéification du charbon, 0,7 % d'un de ces trois procédés avec captage et valorisation du CO2 et 0,04 % de l'électrolyse de l'eau. Ce dernier procédé étant encore le plus coûteux.

Les émissions de CO2 correspondant à cette production atteignent, en 2021, 900 millions de tonnes par an, soit environ 2 % des émissions mondiales.

A l’évidence, utiliser cet hydrogène-là dans nos voitures conduirait à des émissions par kilomètre sensiblement égales à celles obtenues avec de l’essence. A un détail près : Le CO2 n’est pas créé directement dans le moteur de la voiture mais issu du processus de production de l’hydrogène en amont. Un seul processus reste donc possible pour fabriquer de l’hydrogène « vert » : l’électrolyse de l’eau.

L’électrolyse de l’eau

Si les propriétés énergétiques de l’hydrogène sont séduisantes son utilisation dans les transports, et plus particulièrement dans l’automobile, ne peuvent s’envisager qu’à très long terme.

En effet si l’on veut remplacer une fraction significative des 4 milliards de tonnes de pétrole utilisées en 2019 il faut électrolyser de l’eau avec une énorme quantité d’électricité dite « bas carbone » c’est-à-dire issue des centrales nucléaires, des éoliennes ou des panneaux solaires. En France où notre parc de centrale nucléaires (lorsqu’elles sont toutes opérationnelles) suffit à peine à couvrir nos besoins actuels il faudrait plus que doubler notre production électrique totale pour remplacer nos carburants par de l’hydrogène « propre »t pourtant tous les constructeurs automobiles travaillent sur plusieurs projets sur la base de l’hydrogène. Deux techniques concentrent l’essentiel des recherches actuelles

Utilisation des moteurs thermiques

Remplacer l’essence par de l’hydrogène dans un moteur thermique est une technologie qui  est apparue sur des véhicules concepts et prototypes dans les années 1990-2000. Les consommations sont alors très importantes mais les rejets polluants à l’échappement sont minimes et ceux induits par la production des moteurs ne sont pas plus importants qu’avec le thermique fonctionnant au sans-plomb ou au diesel, mais inférieurs à la fabrication de batteries par exemple. Aujourd’hui, cette solution a été majoritairement abandonnée mais pas totalement. Toyota a par exemple engagé en 2021 une Corolla en compétition suivant ce principe de combustion de l'hydrogène. Une technique qui intéresse les constructeurs de poids-lourds tels que Scania ainsi que l’IFPEN (Institut Français du Pétrole Énergies Nouvelles), pour son intérêt à la fois écologique et économique, grâce à un coût de fabrication moins important que le principal axe de recherches actuel : la pile à combustible.

La pile à combustible

L’autre voie de développement de l’utilisation de l’hydrogène est la pile à combustible, qui a également intéressé certains constructeurs dès les années 1990. Plus discrète à cette époque, c’est actuellement la technologie qui fait le plus parler d’elle face au thermique à hydrogène. Le combustible est le même (l’hydrogène), mais il ne sert pas ici à provoquer une combustion mais il est utilisé pour créer de l’électricité à la demande directement à bord du véhicule, l’hydrogène alimente alors des moteurs électriques. La conduite devient donc identique à celle d’un modèle 100 % électrique, si ce n’est que le plein s’effectue en quelques minutes et que l’autonomie dépasse facilement les 500 km. D’ailleurs, une petite batterie est présente pour récupérer l’énergie des ralentissements et freinages. Cette électricité est ensuite renvoyée vers les roues en cas de demande importante de puissance, en complément de l’électricité provenant de la pile à combustible. Tout le système prend de la place et s’adapte donc davantage à des voitures imposantes. L’industrie est alors intéressée par cette solution, pour les poids-lourds, les trains, les avions ou les bateaux, qui disposent de l’encombrement nécessaire pour une intégration à plus longue échéance que dans les voitures particulières.

A quand les voitures à hydrogène ?

Pour les grands constructeurs automobiles le remplacement des carburants fossiles par l’hydrogène ne pose pas de problèmes techniques majeurs. Les difficultés sont au niveau de la production industrielle de l’hydrogène « propre », à son stockage, son transport et à la construction d’un réseau de distribution. Il faudra bien deux à trois décennies pour que l’ensemble de ces problèmes trouve des solutions. D’ici là il faudra bien se résoudre à utiliser la voiture électrique. Encore faudra-t-il que l’on augmente de façon importante notre production d’électricité « verte »

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Jean-Pierre ECHAVIDRE