Voiture électrique, à hydrogène, hydrogène sur batterie ? Les termes employés
Quand on parle aujourd’hui de voiture à hydrogène, on désigne une sorte de véhicule électrique. En effet, ce type de véhicule utilise l’hydrogène pour alimenter un moteur qui n’est autre qu’électrique. De plus, chez Renault, les modèles de la gamme d’utilitaires à hydrogène (composée de Kangoo Z.E. Hydrogen et bientôt de Master Z.E. Hydrogen) intègrent à la fois une batterie rechargeable sur secteur et un réservoir à hydrogène avec pile à combustible. Dans le langage courant cependant, « voiture électrique » désigne souvent une voiture qui ne fonctionne que sur batterie, et « voiture à hydrogène » sert d’appellation pour les véhicules avec un réservoir à hydrogène intégré, en plus de la batterie.
Principes et avantages des voitures à pile à combustible à hydrogène
Une voiture à pile à combustible à hydrogène utilise le dihydrogène en tant que carburant. La pile à combustible est alimentée avec cet hydrogène ainsi qu’avec l’oxygène de l’air ambiant. Ces gaz, mis en contact dans la pile, subissent une réaction électrochimique qui produit un courant électrique, de la chaleur, ainsi que de la vapeur d’eau. Le courant ainsi généré alimente un moteur électrique qui sert à la propulsion du véhicule.
De par son principe, cette technologie recèle de nombreux avantages. En premier lieu, ce véhicule n’émet que de la vapeur d’eau en guise de gaz d’échappement. On classe les véhicules à hydrogène parmi les voitures « zéro émission », puisque ni polluants atmosphériques ni dioxyde de carbone (CO2) ne sont rejetés*. Par ailleurs, le rendement des moteurs électriques combinés à une pile à combustible est particulièrement élevé, ce qui induit une consommation d’énergie bien moindre qu’avec une voiture thermique. De plus, faire le plein d’hydrogène ne prend que trois à cinq minutes – soit pas plus que de faire le plein d’essence avec un modèle thermique – pour retrouver une autonomie de plusieurs centaines de kilomètres. Autre avantage, le principe du moteur à propulsion électrique, avec son excellent couple, offre au conducteur un comportement routier à la fois souple et dynamique.
Chez Renault, l’alimentation par hydrogène ne remplace pas la batterie, elle s’y ajoute. Kangoo Z.E. Hydrogen cumule la batterie de 30 kW de Kangoo Z.E. et une pile à hydrogène d’une puissance de 5 kW électrique (+ 5 kW de chaleur produite pouvant être utilisée pour le chauffage de l’habitacle en hiver par exemple). Le véhicule peut ainsi parcourir 230 kilomètres après recharge de la batterie sur le réseau électrique, et 140 kilomètres supplémentaires une fois son réservoir rempli d’hydrogène**.
Principes et avantages des voitures électriques
Dans un véhicule électrique « classique », l’énergie électrique n’est pas produite par une pile à combustible, mais stockée dans une batterie après recharge sur une alimentation électrique, que ce soit une borne sur la voie publique ou une prise dans un lieu privé. Le moteur électrique reçoit le courant ainsi accumulé, ce qui lui permet de propulser le véhicule. En complément, le moteur électrique reçoit aussi du courant récupéré grâce à ses propriétés d’inversion, chaque décélération ou freinage générant de l’énergie retransformée en électricité.
La voiture 100 % électrique ne dégage aucun gaz d’échappement : son roulage est décarboné et n’émet pas de particules polluantes*. Le rendement du moteur électrique reste par ailleurs trois à quatre fois supérieur à celui d’un moteur thermique équivalent, offrant une consommation maîtrisée et une puissance importante. Enfin, ces voitures ont l’avantage de disposer d’un nombre croissant d’infrastructures pour leur recharge, que ce soit sur autoroute, en ville, ou à domicile avec l’installation des Wallbox par exemple.
L’hydrogène, une technologie sûre
La nécessité de maintenir l’hydrogène sous haute pression implique la présence de dispositifs de sécurité avancés à bord des véhicules. Les constructeurs emploient donc des matériaux de très haute qualité afin que la circulation du gaz se fasse de manière sûre. Des circuits d’évacuation d’urgence du dihydrogène ainsi que des composants de protection empêchent les chocs ou les potentielles fuites de provoquer des accidents. Les véhicules de la gamme Renault utilitaire à hydrogène disposent par exemple d’un système qui détend et disperse l’hydrogène en moins d’une minute, un gage de sécurité supplémentaire sur ces modèles certifiés « zéro risque » en regard de la réglementation européenne (CE) n° 79/2009. L’assurance de rouler aussi tranquille que dans un véhicule thermique, hybride ou électrique à batterie.
La maturité de la voiture électrique
Toutes les technologies à l’œuvre sur les voitures électriques et les véhicules à hydrogène n’en sont pas au même stade de leur développement. Le principe des moteurs électriques pour la propulsion remonte aux premiers temps de l’automobile. La production en série de ce type de véhicule électrique a démarré dès les années 1990. Or, il a fallu attendre les années 2010 pour que des voitures électriques « à hydrogène », dotées d’une pile à combustible, soient distribuées. Elles répondent d’ailleurs à ce jour surtout à un usage utilitaire adapté plus spécifiquement aux besoins des professionnels.
Au fil du temps, les infrastructures de recharge et des batteries fournissant une autonomie toujours plus importante ont permis l’essor des véhicules électriques « classiques » qui représentent plus de 5 % des ventes automobiles sur l’année 2020 en Europe (une hausse de 90 % par rapport à l’année précédente).
Électrique ou hydrogène : quid du stockage d’énergie ?
Les voitures électriques « classiques » fonctionnent uniquement sur batterie. Le stockage de l’électricité se fait directement dans la voiture, au niveau de la batterie de traction. Le « plein » de ce type de véhicule est effectué par une recharge. Celle-ci utilise tout simplement le courant du réseau, via des bornes de recharge que l’on trouve de plus en plus facilement dans l’espace public ou via des prises dans les lieux privés comme à domicile.
En matière de stockage d’énergie, la voiture à pile à combustible à hydrogène impose une logique très différente puisqu’il s’agit de mettre à disposition du dihydrogène et non de l’électricité du réseau. Avant de remplir le réservoir du véhicule, le dihydrogène doit donc être stocké. Cela représente un défi en soi, car l’élément chimique étant extrêmement léger, près de 11 m3 sont nécessaires pour en stocker un kilo. Les ingénieurs ont donc développé différentes techniques pour réduire ce volume et faciliter le transport et l’entreposage du dihydrogène. Deux procédés sont principalement utilisés : soit l’augmentation de la pression du réservoir, qui « compresse » le gaz dans un espace plus étroit, soit la liquéfaction de l’hydrogène dans un contenant à très basse température, pour un même résultat en matière d’encombrement.
Électrique ou hydrogène : comparatif des émissions de CO2
Concernant leurs émissions au roulage, les voitures électriques à batterie et les véhicules à pile à combustible à hydrogène ne génèrent aucune pollution atmosphérique à l’échappement. Cependant, le calcul global de leur taux d’émission de CO2 doit s’effectuer sur l’ensemble de leur cycle de vie, c’est-à-dire de la conception du véhicule à son recyclage, et doit prendre en compte la manière avec laquelle l’énergie du véhicule se transforme en « mobilité ».
De ce fait, c’est la méthode utilisée pour produire l’énergie qui les propulse qui explique en très grande partie l’empreinte carbone de ces véhicules. Une voiture électrique utilisant l’électricité du réseau pour recharger sa batterie, si les centrales qui produisent cette électricité sont bas-carbone (avec la filière nucléaire, les énergies renouvelables comme l’éolien, l’hydroélectrique ou le solaire), alors le cycle de vie de la voiture sera vertueux du point de vue environnemental. On calcule donc l’empreinte carbone des véhicules électriques à partir du mix énergétique des pays où ils se rechargent. Dans de nombreux pays d’Europe comme par exemple en Allemagne, où la production d’électricité à partir d’énergie renouvelable augmente à un rythme soutenu, une voiture électrique verra son empreinte carbone baisser au fur et à mesure de l’augmentation de la part de ces énergies dans le mix énergétique. A contrario, les trajets du conducteur de véhicule thermique auront toujours la même empreinte carbone dans le temps ou quel que soit le périmètre géographique.
Pour les voitures à pile à combustible à hydrogène, la production d’énergie électrique s’effectue sans émission au sein du véhicule, à partir de l’hydrogène embarqué. C’est la production de l’hydrogène qui peut expliquer les émissions de CO2associées à ce type de véhicule. Jusqu’à présent, la technique la plus simple pour produire l’hydrogène – rare sous forme de la molécule H2 à l’état naturel sur Terre (même si l’atome d’hydrogène est très présent dans l’Univers) – consiste à reformer, par transformation chimique, du gaz naturel pour extraire la molécule de dihydrogène. Cela occasionne bien sûr des émissions carbonées plus importantes que lors de la production d’électricité via des énergies renouvelables.
Cependant, il existe des moyens bas-carbone de produire de l’hydrogène, en particulier grâce à l’électrolyse de l’eau : c’est le principe des piles… en « inversé » ! L’électrolyse produit des molécules de dihydrogène et nécessite de l’électricité. Si cette électricité est verte (produite à partir de l’éolien, du photovoltaïque, etc.), alors les émissions de CO2liées à la production de cet hydrogène sont minimes. On parle alors « d’hydrogène vert », une solution d’avenir pour rendre ce mode de propulsion encore plus vertueux !
Électrique ou hydrogène : pourquoi pas les deux ?
Si le développement industriel de la voiture à hydrogène est plus récent que celui du véhicule électrique à batterie, les deux technologies cohabitent désormais sur le marché, en offrant des approches complémentaires pour des usages différents. L’électrique sur batterie continue d’être le meilleur compromis pour les particuliers en l’état actuel des choses. L’hydrogène, à l’heure actuelle, s’adresse prioritairement aux flottes d’entreprises ou aux professionnels, surtout lorsque leurs locaux intègrent une station de recharge à hydrogène. Ce mode de propulsion convient également aux conducteurs effectuant des itinéraires réguliers, comme des tournées professionnelles par exemple, non loin d’une station adéquate.
Ainsi, les véhicules utilitaires actuels de Renault et les futurs modèles développés dans le cadre du partenariat avec Plug Power, leader de la pile à combustible (qui en a déjà déployé plus de 40 000), bénéficient des avantages de cette technologie : une autonomie importante (370 kilomètres pour Kangoo Z.E. contre 230 avec batterie seule**) combinée à un rechargement du réservoir à hydrogène en seulement cinq à dix minutes. Cela vient compléter un système de recharge sur batterie déjà intégré, moins lourd que sur les véhicules électriques « classiques », ce qui confère une charge utile plus importante. Le conducteur professionnel retrouve de l’autonomie sur secteur la nuit par exemple, et peut faire le plein d’hydrogène en journée. Cette modularité s’avère particulièrement appréciable lors des phases d’utilisation intensives.
Plutôt que de s’opposer, les technologies hydrogène et électrique sur batterie se complètent, et profitent à un gagnant : le conducteur !
* Ni émissions de CO2 ni polluants atmosphériques réglementés lors de la conduite, hors pièces d’usure
** : Autonomie WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure), cycle normalisé : 57 % de trajets urbains, 25 % de trajets périurbains, 18 % de trajets sur autoroute)
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