Comment fonctionne un véhicule à hydrogène ?

Si le nom de « pile à combustible » peut donner la sensation d’une technologie de pointe assez hermétique pour le grand public, le secret de cette nouvelle manière de fabriquer de l’énergie réside dans une réaction chimique simple, entre oxygène et hydrogène. Alors, quelles sont les spécificités d’un véhicule à hydrogène ? Comment fonctionne-t-il ? Quels sont ses avantages ? Et, plus concrètement, quels sont les usages possibles de la voiture à hydrogène ? 

Les enjeux de la voiture électrique à hydrogène

Quelques éléments de contexte pour commencer. Le terme « voiture électrique à hydrogène » désigne un véhicule alimenté par une source d’énergie particulière, l’hydrogène, et ce grâce à un système particulier : la pile à combustible. La voiture à « pile à combustible à hydrogène » fait partie de la grande famille des voitures électriques. Sa traction est, en effet, assurée par un groupe motopropulseur électrique.  

Dans le cas d’un véhicule électrique à batterie lithium-ion, l’énergie électrique est stockée dans la batterie grâce à chaque recharge sur le réseau électrique. Alors que dans le véhicule à hydrogène, l’électricité nécessaire au fonctionnement du groupe motopropulseur est apportée par la batterie, mais aussi par la pile à combustible, à partir de l’hydrogène stocké à bord. La plupart des véhicules à hydrogène proposés actuellement par les constructeurs automobiles reposent sur ce principe. 

La voiture à hydrogène partage, avec la voiture 100% électrique l’ambition de rouler avec un faible impact carbone. Or il reste encore de nombreux défis à relever pour diminuer au maximum l’impact sur l’environnement de la production de l’hydrogène. Actuellement, la méthode d’extraction de cette molécule s’appuie sur le reformage de composés organiques carbonés. On parle alors de dihydrogène “gris”, car il est obtenu par un procédé d’extraction de combustibles fossiles. 
Mais il existe un autre moyen d’obtenir de l’hydrogène : par l’électrolyse de l’eau. Si l’électricité nécessaire à cette électrolyse est issue d’une source d’énergie durable comme le photovoltaïque ou l’éolien, il est alors possible de produire de l’hydrogène “vert”. Cette méthode d’extraction incarne une solution d’avenir. 

Le fonctionnement d’une voiture électrique à hydrogène grâce à la pile à combustible

Comment fonctionne concrètement le véhicule à pile à combustible à hydrogène ? Son énergie électrique est fournie par une pile à combustible. L’hydrogène est stocké sous pression dans des réservoirs dédiés, à bord du véhicule. Ce gaz (H2), ainsi que le dioxygène (O2) de l’air ambiant, alimentent la pile à combustible. Ces deux gaz subissent une réaction électrochimique à l’intérieur de la pile. Cette réaction produit de l’électricité, de la chaleur et de la vapeur d’eau (H2O), qui s’échappe sous forme d’un filet d’eau par un pot d’échappement placé sous le véhicule. 

L’énergie ainsi produite, ainsi que l’énergie de la batterie, alimentent le moteur électrique de la voiture. Elle se déplace alors en silence et sans émission de gaz polluants, ni de CO2. Le véhicule peut être rechargé en hydrogène dans des stations dédiées, grâce à des pompes capables d’injecter très rapidement de l’hydrogène (5mn), sous forme de gaz sous pression, à l’intérieur du réservoir. 

La consommation d’un véhicule pile à combustible à hydrogène

Il faut garder à l’esprit que l’atome d’hydrogène, qui compose la molécule de dihydrogène (H2), fait partie des éléments naturels les plus simples et légers du tableau périodique (c’est-à-dire de la classification qui répertorie tous les éléments chimiques présents sur Terre). Sa densité volumique est très faible. Afin d’obtenir la quantité d’hydrogène suffisante au bon fonctionnement d’un véhicule, il est donc nécessaire d’en stocker beaucoup, à de fortes pressions, dans de larges réservoirs. 

La voiture électrique à hydrogène selon Renault Group

Une voiture électrique à pile à combustible à hydrogène est, pour Renault Group, un véhicule électrique qui fait cohabiter sous un même capot une batterie de type lithium-ion et une pile à combustible. En faisant le choix de la complémentarité, Renault combine le meilleur des deux mondes.  

Dans cette architecture type, le moteur électrique est alimenté par la batterie lithium-ion. La pile à combustible constitue quant à elle une réserve d’énergie supplémentaire, au service d’un rayon d’action accru du véhicule, offrant plus d’autonomie et moins de temps de recharge. 

Les avantages de la voiture à hydrogène

À bord de son véhicule à hydrogène, le conducteur profite en premier lieu d’une autonomie quasi doublée. L’électricité produite par la pile à combustible grâce au stockage d’hydrogène s’ajoute à la capacité de stockage de la batterie principale. En cela, le système hydrogène peut être considéré comme un “prolongateur d’autonomie”. 
Cerise sur le gâteau : la rapidité de recharge. En plus de la recharge électrique sur le secteur, quelques minutes suffisent (5 minutes maximum) pour faire le “plein” d’hydrogène afin d’alimenter la pile à combustible et ainsi prolonger instantanément l’autonomie. 
Et ce ne sont pas les seuls avantages : le véhicule à hydrogène conserve l’ensemble des atouts liés à l’utilisation d’une voiture électrique, à commencer par le silence de fonctionnement, l’agrément de conduite et l’accès aux zones à circulation restreinte de certains centres-villes. 

La recharge d’un véhicule à hydrogène

Comment se déroule concrètement la recharge d’une voiture électrique à hydrogène ? La réponse diffère selon les constructeurs. Dans la solution étudiée par Renault Group, le véhicule offre deux options pour reconstituer ses réserves en énergie. Premièrement, la recharge à partir d’une borne électrique “classique” pour alimenter la batterie lithium-ion (recharge facilitée par le nombre de bornes accessibles). Deuxièmement, la recharge à la station à hydrogène pour remplir ses réservoirs de gaz en quelques minutes, si besoin de prolonger son trajet. 

Le stockage de l’hydrogène

Si le terme de “voiture à pile à combustible” n’est pas encore complètement passé dans le langage courant, il ne doit pas laisser imaginer une quelconque technologie à risque. Bien sûr, l’hydrogène, sous forte pression dans le réservoir, est un élément inflammable et volatile, mais cela est le cas pour tout combustible. En cas de surchauffe ou de suppression de la pile, l’hydrogène est dispersé et détendu en moins d’une minute. 

Depuis plus de vingt ans, les technologies qui exploitent le dihydrogène ont été testées et approuvées à de nombreuses occasions dans des conditions souvent extrêmes (ingénierie spatiale, sous-marins, engins de chantier). 

Renault Group travaille également sur des motorisations électriques bi-énergie (batterie rechargeable et pile à combustible à hydrogène), notamment avec sa marque Renault et le démo-car Emblème.  

Citons également les travaux menés par Alpine sur l'hydrogène, avec les prototypes Alpenglow Hy4 et Hy6 présentés en 2024. 

Voiture à hydrogène ou voiture électrique à batterie lithium-ion : comparatif

Ces technologies donnent l’impression d’être diamétralement opposées, mais constituent deux offres de mobilités complémentaires. Hydrogène ou voiture électrique, cette question dépend avant tout de l’usage et du type de véhicule. Sur un véhicule utilitaire léger, dont la charge utile est importante, l’hydrogène est particulièrement pertinent. Même si le réservoir qui le contient est volumineux, son poids reste raisonnable. L’hydrogène se prête particulièrement aux usages intensifs en boucle fermée, avec un lieu de recharge bien identifié et facilement accessible au cours d’une tournée, ou au sein même des locaux de l’entreprise. 
Les véhicules électriques équipés uniquement de batteries lithium-ion s’adressent, quant à eux, à tous types d’usages et de publics, du court trajet en ville aux grands axes. Mais lorsque la batterie est vide, la seule solution est de la recharger sur le secteur. La vitesse de chargement est moindre que pour l’hydrogène mais les bornes de recharge sont plus nombreuses, tant dans les lieux privés que sur la voie publique. Il est simple de profiter du stationnement de son véhicule pour le recharger. 
Ce sont donc deux technologies complémentaires dans leurs usages, qui visent toutes deux à fournir une mobilité durable. 

Véhicules à hydrogène : quelle implantation en Europe et en France ?

En 2020, les nouvelles immatriculations de véhicules à pile à combustible à hydrogène concernent en priorité l’Allemagne, puis les Pays-Bas et la France**. Les stations de recharge d’hydrogène s’implantent progressivement en Europe. En France en 2023, 23 stations sont en cours d’opération avec un objectif de 900 en 2030. En Allemagne, elles sont au nombre de 109 en cours d’installation et de 300 d’ici 2030 et de 3 en Espagne pour 150 en 2030. Les Pays-Bas comptent en 2023 12 stations en cours avec un objectif de 150 d’ici 2025. L’arrivée des premières voitures électriques à hydrogène de série, y compris les véhicules professionnels qui se rechargent pour l’instant essentiellement au sein de leur entreprise, pourrait accélérer le développement de ces infrastructures et contribuer à la croissance de la technologie hydrogène.

 

*WLTP : Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Le cycle WLTP normalisé se compose de 57 % de trajets urbains, 25 % de trajets périurba*WLTP : Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Le cycle WLTP normalisé se compose de 57 % de trajets urbains, 25 % de trajets périurbains et 18 % de trajets sur autoroute. Les valeurs d’autonomie indiquées sont basées sur l’étude du protocole WLTP. Elles peuvent varier en fonction des conditions réelles d’utilisation et de différents facteurs tels que : la vitesse, le confort thermique à bord du véhicule, le style de conduite et la température extérieure.  ins et 18 % de trajets sur autoroute.

** Décompte au troisième trimestre 2020 publié par l’ACEA, Association Européenne des Constructeurs Automobiles

 

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