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La pile à combustible a-t-elle une chance d’arriver dans le garage de M. tout le monde ?

Grégory Launay - 30 septembre 2009 - Dernière mise à jour : 15 mai 2010

 

De quoi parle-t-on ? Pourquoi en parle-t-on ?

Parmi les solutions prometteuses régulièrement évoquées pour l’avenir de la traction automobile figure la pile à combustible.

On appelle pile à combustible un générateur d’électricité fonctionnant à partir du mélange d’un carburant et d’un comburant. Le carburant peut être un dérivé de pétrole ou de gaz naturel mais surtout (cas le plus intéressant) de l’hydrogène. En effet l’hydrogène a le bon goût de réagir avec de l’oxygène pour former … de l’eau !

Adieu les rejets de CO2 et autres particules. Ce type de système permettrait, à partir d’un ensemble embarqué composé d’une pile à combustible et d’un moteur électrique, de disposer d’un véhicule « propre » ne rejetant que de l’eau et offrant le confort d’un véhicule électrique (peu de bruit et beaucoup de couple). L’hydrogène se stockant mieux que l’électricité, de tels véhicules pourraient avoir des autonomies comparables à celles des véhicules thermiques actuels c'est-à-dire supérieures à 500 km.

L’hydrogène, qui reste un vecteur énergétique et non une source d’énergie, séduit par deux qualités fondamentales :

  • comme les énergies fossiles, il se stocke relativement facilement sous forme de gaz ou sous forme liquide
  • comme l’électricité il est « multi-adressage » c'est-à-dire qu’il peut être produit à partir de très nombreuses sources d’énergie primaire et notamment les sources renouvelables

En gros l’hydrogène c’est de l’électricité liquide, c’est de l’électricité débarrassée de son principal défaut : la difficulté de stockage. On en vient alors à imaginer une économie ou l’hydrogène serait le vecteur universel, fabriqué comme de l’électricité et utilisé comme du pétrole.

Le principe de la pile à combustible est connu depuis la fin du 19ième siècle. Ses caractéristiques techniques (temps de mise en route, encombrement, etc …) rendent plus facile son usage dans des installations fixes et c’est pourtant dans le domaine de l’automobile qu’elle est le plus souvent évoquée.

 

Que se cache-t-il derrière cette vision de l’automobile ?

Derrière cette vision de l’avenir se cache trois difficultés techniques majeures :

  • la production d’hydrogène
  • le transport et la distribution de l’hydrogène
  • l’exploitation de l’hydrogène (la pile à combustible)

Commençons par le dernier sujet. Les travaux sur la pile à combustible ont été nombreux et très subventionnés. La technologie pourrait arriver à maturité un jour. De nombreux véhicules de démonstration existent déjà. Les problèmes restent très nombreux : encombrement, temps de mise en route (pour atteindre la température de fonctionnement), capacité à gérer le fonctionnement transitoire d’une automobile (les vitesses et puissances demandées varient tout le temps …) et surtout le prix qui reste pour l’instant très au delà du raisonnable…

Une pile complète (avec les accessoires : compresseur d’air, séparateur d’eau, etc.) pourrait atteindre 50% de rendement contre à peine 45% pour les meilleurs moteur thermiques.

Concernant le transport, plusieurs solutions sont possibles et déjà utilisées. Pour les plus petites quantités la solution privilégiée est le transport sous forme gazeuse en bouteilles ou semi-remorque. Lorsque les volumes sont plus importants l’hydrogène peut se transporter sous forme liquide (toujours en semi-remorque). Enfin pour des transports massifs, réguliers et centralisés il est réalisé par pipeline. L’Europe du Nord, avec plus de 1000 km de canalisation, dispose du plus grand réseau au monde.

Le plus grand réseau de transport de l’hydrogène par pipeline en Europe du Nord exploité par Air Liquide - Source : Air Liquide

Pour le transport comme pour l’exploitation il reste de nombreuses difficultés, les investissements pour un déploiement de masse sont énormes. Mais avec un peu de temps, de volonté et d’argent tout cela parait techniquement abordable. Passons maintenant au « vrai » problème : la production.

L’hydrogène est déjà utilisé industriellement pour différents usages : la production d’ammoniac en majorité mais aussi le raffinage, la chimie, l’industrie du verre, etc. Sur le papier, comme pour l’électricité, il y a mille et une façons de fabriquer de l’hydrogène. Dans la réalité on distingue deux grandes familles :

  • l’extraction de l’hydrogène présent dans les hydrocarbures (appelé réformage)
  • l’électrolyse de l’eau

A cause de son très mauvais rendement et de son coût élevé, l’électrolyse de l’eau est très peu utilisée si bien que la majeure partie de l’hydrogène industriel est fabriqué avec … des carburants fossiles et donc des émissions de CO2.

Poids des différents procédés industriels dans la production d’hydrogène - Source : Air Liquide 2004, chiffres 2001

On voit que 95% de l’hydrogène n’est autre que du fossile reconverti (et même du méthane en grande majorité). La production totale se monte à quelques 140 Mtep (soit environ 7% des 2,15 Gtep de pétrole consommées pour le transport).

 

Quel est alors le potentiel de la pile à combustible ?

Plusieurs solutions globales (production et transport) s’offrent à nous.

La plus simple consiste à utiliser de l’hydrogène issu d’un reformage de gaz naturel, distribué et embarqué sous forme gazeuse dans le réservoir d’une voiture. Dans ce cas la chaine de rendement du puits à la roue peut s’évaluer :

  • production primaire de méthane : 90% (rendement standard en fourchette haute pour du raffinage)
  • production d’hydrogène par reformage à vapeur de méthane : 85%
  • transport, stockage et distribution sous forme gazeuse : 90%
  • exploitation avec une pile de type PEMFC : 50%
  • chaine de traction électrique (moteur électrique et électronique de puissance) : 80%

Cela nous donne un rendement global d’utilisation d’environ 28%, retenons 30%. Evaluons la performance d'un tel système en prenant pour référence le véhicule moyen mondial. Ce véhicule consomme 9 litres de carburant pour parcourir 100 km et a un rendement global de 18%. Ses émissions de CO2 sont de 225 grammes au km, sa consommation énergétique "à la roue" est de 160 Wh par km ce qui équivaut (en prenant en compte le rendement de 18%) à 900 Wh d'énergie totale consommée.

Une pile à combustible permettrait à ce véhicule de ramener sa consommation énergétique à 550 Wh par km (160 Wh à la roue avec un rendement de 30%) ce qui donne une économie d'énergie de prés de 40%. Pour les émissions de CO2, le méthane offre en plus l'avantage d'être moins émissif que le pétrole pour une quantité d'énergie donnée (200 grammes de CO2 par kWh contre environ 250). Avec ce chiffre les émissions de notre véhicule seraient d'environ 120 grammes de CO2 par kilomètre soit une réduction de prés de moitié. Ce résultat est un peu optimiste car l'hydrogène n'est pas obtenu qu'à partir de méthane, un chiffre plus réaliste serait probablement autour des 140 grammes de CO2.

La généralisation de cette technologie permettrait donc de réduire (en ordre de grandeur bien sûre) d'environ 40% la consommation d’énergie fossile et les émissions de CO2. Cela ramènerait ainsi la consommation de la voiture moyenne mondiale à celle de la voiture moyenne française.

Dans ce schéma, en plus, la production d’hydrogène est centralisée et donc potentiellement compatible avec la technologie de capture et de séquestration du CO2 mais au prix d’un rendement alors plus faible.

Cette piste semble donc réellement intéressante mais personne ne la voit arriver à maturité avant 15 à 20 ans. Est-elle alors compatible avec les échéances de temps qui sont celles des contraintes d’approvisionnement ?

Une variante de cette solution consiste à utiliser un reformeur embarqué. On stocke le carburant fossile à bord du véhicule et la fabrication de l’hydrogène se fait en continue. Cela revient à décentraliser dans chaque véhicule la production d’hydrogène.

Hormis le problème du coût supplémentaire de ce système mit dans le véhicule, les contraintes de miniaturisation ont tendance à faire chuter les rendements si bien que ce type de solution offre en général un rendement plus faible qu’un véhicule traditionnel … ce qui perd un peu de son intérêt vous en conviendrez ! Le fait de décentraliser la production d’hydrogène rend en plus impossible le captage du CO2 généré. Ce type de solution est donc définitivement à écarter.

L’autre solution consiste à utiliser de l’hydrogène provenant de l’électrolyse et les rendements s’effondrent alors littéralement :

  • production primaire d’électricité : 60% (hypothèse très optimiste de centrale à cycle combiné)
  • production de H2 par électrolyse : 75%
  • transport, stockage et distribution sous forme gazeuse : 90%
  • exploitation avec une pile de type PEMFC : 50%
  • chaine de traction électrique (moteur électrique et électronique de puissance) : 80%

Cela nous donne un rendement de 16% (hypothèse très optimiste, rappelons le) soit moins que le véhicule thermique de référence … avec une électricité dont le contenu carbone est important … il semble bien plus intelligent d’utiliser directement l’électricité dans … un véhicule électrique.

Reste ensuite quelques autres voies « d’avenir » (terme poliment utilisé pour dire que ce n’est pas pour tout de suite …) que sont l’exploitation de la biomasse, du nucléaire, etc. Ces pistes peuvent conduire à la création d’autres vecteurs (électricité ou carburant de synthèse liquide) et ne donnent en rien un avantage décisif aux technologies hydrogène. L’étude officielle de la commission européenne nous dit à peu près la même chose.


Consommation énergétique et émissions de CO2 « du puits à la roue » pour différentes hypothèses d’utilisation de pile à combustible - Source : JRC, CONCAWE, EUCAR – mars 2007

Ce graphique montre en abscisse la consommation énergétique totale nécessaire pour faire 100 km avec un véhicule de référence, l'axe des ordonnées représente les émissions de CO2. La solution électrolyse aggrave le problème alors que l'utilisation d'un hydrogène issu de sources fossiles se montre d'un réel intérêt.

 

Alors finalement, la pile à combustible a-t-elle un avenir ?

La piste « électrolyse » ne tient la route que dans un scenario énergétique dans lequel l’électricité renouvelable serait disponible en toute abondance … c'est-à-dire que cette technologie pourrait se révéler intéressante s’il l’on suppose que le problème de base est réglé … bref passons.

La voie fossile, en revanche, présente un avantage réel en termes de rendement. Ceci étant dit lorsque ce gain est rapporté aux gouffres techniques à combler et aux investissements d’infrastructures à réaliser … il semble alors bien mince et surtout non compatible avec les échelles de temps qui vont êtres celles des contraintes de disponibilité énergétiques

On peut rappeler que ces mêmes gains pourraient être obtenus par des moyens technologiquement plus simples (mais socialement plus autoritaires : imposer une réduction de vitesse et / ou une réduction de masse …).

La pile à combustible a-t-elle un avenir ? A vous de vous faire un avis.