Groupe Renault
Mobilité électrique | 26 mai 2021

Comment fonctionne un véhicule à hydrogène ?

5 min
Au menu des technologies vers lesquelles se tourne le futur de l’automobile, la voiture à pile à combustible hydrogène est d’ores et déjà une réalité. Cette technologie équipe, pour la première fois, un véhicule de la gamme utilitaire Renault en 2014, Kangoo Z.E. Hydrogen. L’hydrogène rebat les cartes de la mobilité électrique, en termes d’enjeux comme de perspectives. Voici quelques éclaircissements pour mieux se familiariser avec cette fameuse molécule.
par Groupe Renault

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 au quotidien ?

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 « simplement » stockée dans la batterie grâce à chaque recharge sur le réseau électrique. C’est là que réside la différence avec le véhicule à hydrogène. L’électricité nécessaire au fonctionnement du groupe motopropulseur y 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 électrique « classique », l’ambition de rouler « propre ». 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 ? Leur énergie électrique est fournie par une pile à combustible. L’hydrogène est stocké sous pression dans les réservoirs dédiés du véhicule. Ce gaz (H2), ainsi que le dioxygène (O2) de l’air ambiant, alimente 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 de gaz par un petit tube 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*. Concernant la recharge de l’hydrogène, l’opération s’effectue dans des stations dédiées, grâce à des pompes capables d’injecter très rapidement de l’hydrogène, sous forme de gaz sous pression, à l’intérieur du réservoir.

La consommation d’un véhicule pile à combustible à hydrogène

Qu’en est-il de la consommation d’un véhicule à 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 son véhicule utilitaire électrique Kangoo Z.E. Hydrogen, la marque au losange a intégré une pile à combustible.

Schéma d’implantation de la pile à combustible dans la Renault Kangoo Z.E. Hydrogen

Dans ce schéma de fonctionnement de Kangoo Z.E Hydrogen , le moteur de la voiture électrique à hydrogène est alimenté par sa batterie lithium-ion. La pile à combustible constitue quant à elle une réserve d’énergie supplémentaire, au service d’un rayon d’action accru de la voiture (plus d’autonomie et moins de temps de recharge).
Les véhicules à hydrogène procurent au conducteur les avantages pratiques et financiers de l’électrique et y ajoutent les atouts supplémentaires offerts par l’hydrogène en matière de flexibilité et d’autonomie.

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. Dans le cadre d’une complémentarité entre la pile à combustible et la batterie lithium-ion, l’électricité produite par la pile à combustible grâce au stockage d’hydrogène s’ajoute à la capacité de stockage de sa batterie principale. Par exemple, Renault Kangoo Z.E. Hydrogen est équipée d’une batterie de 30 kWh, couplée à un stockage d’hydrogène équivalent à une énergie électrique embarquée de 29,7 kWh. Son autonomie passe de 230 kilomètres à 370 kilomètres (cycle WLTP*). 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 (10 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. Chez Renault, 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, en pleine journée de travail.

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. Avant d’être mises en circulation, les voitures à hydrogène n’échappent pas aux réglementations européennes, particulièrement exigeantes. Kangoo Z.E. Hydrogen fait l’objet d’une certification européenne délivrée conformément à la réglementation CE n°79/2009.
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).
Aujourd’hui, fort de l’expérience accumulée grâce au pionnier Kangoo Z.E Hydrogen depuis 2014, Renault Group va encore plus loin, et annonce un partenariat avec le leader mondial et historique de la pile à combustible : Plug Power, qui a déployé jusque-là plus de 40 000 systèmes de pile à combustible. Le centre d’excellence ainsi créé positionnera les partenaires au premier plan de la recherche & développement, la fabrication, la commercialisation de véhicules à hydrogène, mais aussi aux avant-postes du déploiement des services associés (infrastructures de recharge, approvisionnement en hydrogène, etc.).

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, qui visent toutes deux à fournir une mobilité durable adaptée à tous types d’usages.

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. Il y a, par exemple, environ 100 stations en France en 2021, avec l’objectif d’atteindre 1 000 stations d’ici 2030. En Europe, 150 stations sont opérationnelles, auxquelles s’ajouteront 750 stations en cours de déploiement. 3 700 stations sont attendues d’ici 2025. Pour accompagner ce développement des infrastructures, plusieurs pays d’Europe mettent en place des politiques incitatives en faveur de cette technologie, comme l’Allemagne qui vient d’allouer une enveloppe de 700 millions d’euros à la filière, ou la France qui finance des projets hydrogène à hauteur d’environ 16 000 euros pour l’achat d’un véhicule.
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, contribueront à accélérer le développement de ces infrastructures et promettent un bel avenir à la technologie hydrogène.

 

*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.

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

 

Copyrights : BERNIER Anthony, Renault Group

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