La Valeur du « Moteur Hydrogène »

Moteur Hydrogène

Depuis de nombreuses années, nous entendons régulièrement parler des
voitures à hydrogène, elles sont souvent présentées comme une solution d’avenir souvent supérieure à la voiture électrique. Personnellement, je me suis toujours instinctivement méfié de cette technologie, mais sans jamais approfondir le sujet. Ce document va donc combler cette lacune en analysant les caractéristiques de ce type de motorisation. Notamment ses qualités écologiques et technologiques.

1 – Fonctionnement

a) Principe

Voyons d’abord ce qui fait avancer la voiture, et par quel moyen.
Il existe deux grands types de propulsion Hydrogène. La première méthode est une combustion directe de dihydrogène dans un moteur thermique. Seulement, un moteur classique n’est pas adapté à ce combustible, et il faut utiliser des designs différents de moteurs comme le Wankel ou la Quasiturbine. Ces deux moteurs exploitent des formes de pistons différentes et ingénieuses mais présentent de gros inconvénients d’étanchéité et de durabilité. Pour ces raisons, on y préfère la méthode de la pile à combustible.
Pour le coup, le nom de moteur à hydrogène est un abus de langage. En effet, les roues sont entrainés par des moteurs électriques, dont l’énergie provient d’une pile à combustible. Elle est produit à partir de dihydrogène et du dioxygène de l’air.

b) Performances

C’est sur ce principe que fonctionne la LMPH2G, une voiture qui devrait courir les 24h du Mans en 2024.

Comme on peut l’imaginer, ce genre de véhicule affiche des performances
sportives vraiment impressionnantes. De fait, la propulsion par moteur électrique donne à la voiture une énorme accélération. Mais l’autonomie est aussi grande que pour une thermique. En parallèle, l’absence de grosse batterie et la légèreté du dihydrogène règlent un problème des véhicules électriques. De plus le réservoir peut se remplir rapidement. Il est donc très probable de voir de plus en plus de voitures à hydrogène remporter des courses, à moins que des problèmes nouveaux ne soient décelés. L’entreprise Gen-Z vient dans la même veine de mener une campagne de collecte de données pendant le Dakar pour élaborer une voiture d’ici 2023.

Vous l’aurez compris, sur le plan sportif, ces véhicules ont de l’avenir, il y a pourtant quelques problèmes techniques à ne pas négliger pour les voitures tout public.

2 – Impact écologique

a) Emissions directes

En sortie de la voiture, il ne reste rien d’autre que de l’eau. On peut donc considérer que ce système est très propre au niveau des émissions directes. Il faut tout de même noter une chose. L’eau ou plutôt la vapeur d’eau est au sens strict un gaz à effet de serre. C’est même un gaz qui génère plus d’effet de serre que le CO2. Mais à la différence de ce dernier, l’eau ne reste en moyenne qu’une dizaine de jours dans atmosphère, contre un siècle pour le dioxyde de carbone.

Pour cette raison, il est difficile de considérer l’eau comme un gaz à effet de serre au sens problématique du terme.

Malgré tout, il ne serait peut être pas souhaitable que toutes les voitures du monde en relâchent dans atmosphère, puisque cela pourrait engendrer au mieux des phénomènes météorologiques étonnants, au pire des problèmes climatiques.

Heureusement, il est facile d’imaginer un système de condensation qui rejetterais sur la chaussée de l’eau liquide, qui pourrait s’écouler sur les bords de la route. Cependant, l’eau pourrait geler en hiver et s’évaporer directement en été. La meilleure solution serait donc d’envoyer l’eau dans un réservoir pouvant être vidé aux stations services. Et pourquoi pas aux feux rouges avec une structure adaptée pour récupérer l’eau.

b) Production du H2

Cette absence d’émissions directes est déjà une bonne chose, mais il faut avant tout regarder l’ensemble des émissions qui accompagnent l’utilisation de ces véhicules.

Le point le plus important est celui de la production du dihydrogène.
Actuellement dans le monde, ce gaz est produit à 95% base d’hydrocarbures.

Les trois procédés principaux ont pour avantage être assez peu chers, en tout cas moins que l’électrolyse. Cela permet à ce dihydrogène d’être plus compétitifs.

Pour autant, ils sont très polluants puisqu’ils relâchent tous du carbone en quantité variable. Parfois, ce carbone est récupéré pour notamment être enfouis dans des poches de pétrole vides par exemple. Cela constitue une action très discutable à la fois au niveau moral et au niveau de efficacité, mais c’est une autre histoire.

En tous cas, nous allons plutôt nous attarder sur l’électrolyse de l’eau, qui ne demande que de l’électricité et le l’eau. En fait le processus chimique est simple à mettre en œuvre, il est même parfois réalisé dans les collèges. Il suffit de plonger deux électrodes dans de l’eau, puis d’y faire passer du courant pour observer des bubules de dihydrogène remonter le long d’une des électrodes (et du dioxygène le long de l’autre).

Pour récupérer les gaz, c’est déjà plus compliqué, mais tout à fait faisable comme dans ce site pilote au Danemark.

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Évidement, l’impact écologique de l’opération dépend directement de la source de l’électricité utilisée. Si l’usine est branché sur une centrale à charbon, privilégiez le circuit court et achetez un Pick-up essence. En revanche, sur des réseaux électriques comme ceux de l’Islande, la France ou encore le Bhoutan, les émissions sont rendues très faibles (nulles dans le cas du Bhoutan, 100% hydroélectrique).

Nous pourrions en France imaginer quelques grosses usines installées dans les massif montagneux desquels elles puiseraient leur électricité. Ou alors des usines plus modestes qui pourraient servir de stockages pour l’électricité renouvelable (cf. l’article précédent).

3 – Bas rendement

Pour rappel, le rendement c’est le rapport entre l’énergie utile en sortie du système (ici envoyé dans les roues) et l’énergie initiale absorbée par le système.

Nous l’avons dit, le meilleur moyen pour produire le dihydrogène de façon propre nécessite de l’électricité. Le dihydrogène ainsi produit passe ensuite par la pile à combustible, qui fournit à nouveau de l’électricité, laquelle actionne un moteur électrique qui fait tourner les roues.

C’est donc une chaine de puissance qui contient beaucoup de transformations de type de puissance. Certes le moteur électrique atteint en général 90 à 98% de rendement, ce qui en conditions réelles peut être considéré comme parfait.

Malheureusement, ce n’est pas le cas du reste de la chaine. En fait, le rendement global serait de l’ordre de 25%, ce qui est vraiment bas.

Bien que les rendements augmentent systématiquement avec le
perfectionnement des systèmes, il est irréaliste d’imaginer cette chaine de puissance atteindre les 50% de rendement. Cela reviendrais à jeter par la fenêtre une pile sur deux. Malgré ce défaut, cette technologie n’est pas à bannir.
Bien que les hauts rendements soient toujours plus satisfaisants, ils sont en fait assez rares. Notons par exemple que les moteurs thermiques tournent aux alentours des 40% de rendement (mieux mais toujours faible), ils sont pourtant énormément utilisés.

4 – Synthétisons

Les voitures à hydrogène se heurtent à plusieurs problèmes. Le réseau d’entretient et d’approvisionnement, le rendement, ou les méthodes de production.

Cependant, nous avons vu qu’il serait possible de créer un réseau de voitures qui fonctionnent grâce à de l’hydrogène produit uniquement grâce aux énergies renouvelables / nucléaire. Qui auraient des performances surpassant à la fois l’électrique et le thermique, le tout appuyé par un réseau de récupération de l’eau produite par la voiture.

Malgré tous les problèmes techniques qui seraient à surpasser pour mettre en place ces voitures, je suis à titre personnel extrêmement satisfait d’enfin pouvoir imaginer une voiture écologique de A à Z.

Au delà des voitures, l’utilisation de la pile à combustible pourrait servir à remplacer énormément de moteurs. Nous pourrions aller des groupes électrogènes jusqu’à ceux des dirigeables. J’ai par ailleurs lu plusieurs fois le therme « économie hydrogène » qui s’oppose à celui de l' »économie pétrole ». Bien qu’il ne faille pas continuer sur la lancée économique actuelle, on peut maintenant envisager de remplacer des éléments modernes polluants indispensables par leur équivalent à l’hydrogène, et ça, c’est cool.

Document réalisé par Pierre Courtois.

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