Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) liées au transport de passagers présentent une variation significative en fonction du mode de transport utilisé. Le transport routier (voitures, camions et motocyclettes) est responsable d’une part importante de ces émissions, représentant 71,7 % des émissions totales de CO2 issues du transport en Europe (Figure 1). Dans ce contexte, l’hydrogène est perçu comme une solution prometteuse en raison de sa nature propre, de sa capacité à stocker et à fournir de l’énergie sans émission de CO2. Le développement des mobilités propres utilisant les technologies de moteur hydrogène est dans le plan France 2030 [1]. Pour plus d’informations sur le financement de la recherche et de l’innovation dans le cadre France 2030, cliquez ici.
Figure 1. Émissions dans l’UE par mode de transport
L’hydrogène offre également la plus grande quantité d’énergie par unité de masse parmi les différents types de combustibles liquides et gazeux (2,8 fois celle que l’on obtient en brûlant des carburants conventionnels tels que le kérosène) [2], [3]. L’hydrogène a aussi un avantage majeur en termes de temps de remplissage du réservoir, comparable à celui d’un plein d’essence, ce qui rend les voitures à hydrogène plus adaptées aux longs trajets que les voitures électriques. En comparaison, les voitures électriques nécessitent actuellement au moins 20 minutes pour une recharge rapide à une station dédiée, voire plusieurs heures, lorsqu’elles sont branchées sur une prise domestique. Cependant, il existe d’importants défis et obstacles technologiques à surmonter pour favoriser l’adoption généralisée des voitures à hydrogène. Différents types de véhicules utilisant l’hydrogène comme carburant existent, mais tous ne sont pas entièrement écologiques.
Certains véhicules utilisent directement l’hydrogène comme combustible dans leur chambre de combustion. Parmi les modèles de voitures populaires, nous pouvons citer la BMW Hydrogen 7 [4] et la GR Yaris de Toyota [5]. Dans ces véhicules, un moteur hydrogène à combustion interne (MCI) est utilisé, fonctionnant grâce à l’air et à l’hydrogène pour générer la force. Par ailleurs, il existe également le groupe de voitures à moteur hybride électrique – hydrogène, où l’électricité utilisée pour la propulsion est générée par un MCI qui fonctionne à l’hydrogène. Les MCIs utilisant l’hydrogène présentent certains avantages environnementaux, car ils n’émettent pas de CO2. Cependant, il est important de noter qu’ils ne génèrent pas exclusivement de l’eau. Étant donné que l’air est utilisé dans le moteur à combustion interne, les gaz à effet de serre, tels que le NOx, sont produits en raison de la réaction entre l’azote et l’oxygène présents dans l’air. Selon un article scientifique, le mélange de l’air et l’hydrogène dans la chambre de combustion ne contient que 29.6% d’hydrogène [6]. En termes de technologie, plusieurs modifications du moteur doivent être réalisées pour adapter un MCI à la combustion d’hydrogène. Le principal problème rencontré dans le développement des moteurs à hydrogène est l’allumage prématuré, c’est-à-dire que le mélange air-carburant s’enflamme trop tôt [6]. L’allumage prématuré du mélange air-carburant provoque une augmentation excessive de la pression à l’intérieur des cylindres. L’allumage prématuré est un problème beaucoup plus important dans les moteurs à hydrogène que dans les autres moteurs à combustion interne, en raison de l’énergie d’allumage plus faible de l’hydrogène, de sa plage d’inflammabilité plus large et de sa distance d’extinction plus courte. L’allumage prématuré peut être réduit en modifiant la conception du système d’alimentation de carburant. En outre, un autre moyen efficace de contrôler ce problème est la modification de la chambre de combustion, par exemple en utilisant une chambre en forme de disque.
Une autre classification de véhicules utilisant l’hydrogène est celle des véhicules équipés d’une pile à combustible, où un moteur électrique est employé comme moteur de traction. Récemment, les modèles de voitures connus sont la Hyundai Nexo [7] et la Toyota Mirai [8]. Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique sans nécessiter de combustion. Le type de pile à combustible le plus courant pour les véhicules est la pile à membrane électrolytique polymère (PEM). Dans une pile à combustible PEM, une membrane électrolytique est intercalée entre une électrode positive (cathode) et une électrode négative (anode). L’hydrogène est introduit dans l’anode et l’oxygène (de l’air) dans la cathode. Les molécules d’hydrogène se séparent en protons et en électrons à la suite d’une réaction électrochimique dans le catalyseur de la pile à combustible. Les protons traversent ensuite la membrane jusqu’à la cathode. Les électrons sont forcés de passer par un circuit externe pour effectuer un travail (fournir de l’énergie à la voiture électrique), puis se recombinent avec les protons du côté de la cathode où les protons, les électrons et les molécules d’oxygène se combinent pour former de l’eau. Donc, l’électricité est produite en combinant de l’hydrogène et de l’air dans la pile à combustible, et le seul rejet du véhicule est de l’eau.
Cependant, bien que les piles à combustible soient considérées comme plus respectueuses de l’environnement que les systèmes de conversion énergétique classiques, elles présentent encore des inconvénients environnementaux. L’article d’Abdelkareem et coll. [9] a conclu que les impacts environnementaux négatifs des piles à combustible sont associés à la phase de fabrication et d’acquisition des matériaux. Par exemple, l’exploitation de métaux nobles, comme le platine, en tant que catalyseur dans les piles à combustible épuisera le réservoir de platine sur Terre. Selon l’article de Graedel et coll., les ressources mondiales de platine actuellement connues permettraient d’alimenter un parc de 500 millions de véhicules à pile à combustible pendant seulement 15 ans [10]. Les détails concernant les piles à combustible et leur impact sur l’environnement seront abordés dans un autre article de cette série.
Références
[1] « France 2030 | Accélérer le déploiement de l’hydrogène, clé de voûte de la décarbonation de l’industrie », Gouvernement.fr. https://www.gouvernement.fr/france-2030-accelerer-le-deploiement-de-l-hydrogene-cle-de-voute-de-la-decarbonation-de-l-industrie
[2] G. Thomas, « Overview of Storage Development DOE Hydrogen Program », présenté à US DOE Hydrogen Program 2000 Annual Review, California, US, mai 2000.
[3] G. L. Mills, B. Buchholtz, et A. Olsen, « Design, fabrication and testing of a liquid hydrogen fuel tank for a long duration aircraft », présenté à ADVANCES IN CRYOGENIC ENGINEERING: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference – CEC, Volume 57, Spokane, Washington, USA, 2012, p. 773‑780. doi: 10.1063/1.4706990.
[4] « BMW INTRODUCES WORLD’S FIRST HYDROGEN-DRIVE LUXURY PERFORMANCE CAR FOR EVERYDAY USE – THE BMW HYDROGEN 7 ». https://www.press.bmwgroup.com/global/article/detail/T0012215EN/bmw-introduces-world-s-first-hydrogen-drive-luxury-performance-car-for-everyday-use-the-bmw-hydrogen-7?language=en
[5] « Toyota showcases experimental hydrogen-powered GR Yaris », Toyota showcases experimental hydrogen-powered GR Yaris. https://newsroom.toyota.eu/toyota-showcases-experimental-hydrogen-powered-gr-yaris
[6] W. Lanz, « Module 3: Hydrogen Use in Internal Combustion Engines », Hydrog. Fuel, 2001.
[7] « All-New Hyundai NEXO – The Future Utility Vehicle made by Hyundai ». https://www.hyundai.news/eu/models/electrified/nexo/press-kit/all-new-hyundai-nexo-the-future-utility-vehicle-made-by-hyundai.html
[8] « The New Toyota Mirai », The New Toyota Mirai. https://newsroom.toyota.eu/the-new-toyota-mirai/
[9] M. A. Abdelkareem, K. Elsaid, T. Wilberforce, M. Kamil, E. T. Sayed, et A. Olabi, « Environmental aspects of fuel cells: A review », Sci. Total Environ., vol. 752, p. 141803, janv. 2021, doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.141803.
[10] R. B. Gordon, M. Bertram, et T. E. Graedel, « Metal stocks and sustainability », Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 103, no 5, p. 1209‑1214, janv. 2006, doi: 10.1073/pnas.0509498103.
