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« La voiture électrique à pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène (gaz le plus efficace pour créer le phénomène chimique produisant un courant électrique) est une solution alternative à la batterie.

Un peu d’histoire

La pile à combustible date de… 1839. Cette invention pouvait fonctionner à l’alcool, au pétrole ou à l’hydrogène. Mais il faudra attendre la conquête de la Lune dans les années 60 (missions Apollo) pour qu’elle sorte de l’ombre des laboratoires. Celle-ci fonctionne alors à l’hydrogène, gaz le plus efficace pour créer le phénomène chimique produisant un courant électrique. C’est aussi à cette époque que General Motors teste la technologie dans un concept automobile, en 1966.

L’industrie automobile s’y intéresse vraiment dès les années 90 avec de plus en plus de concepts dans les années 2000. Honda, Hyundai, Mazda, Mercedes et Toyota développent même des prototypes testés en condition réelle, parfois dans le cadre de leasing avec des automobilistes « lambda » dès 2007 avec la Honda FCX Clarity.  La commercialisation à proprement parlé d’un modèle F-Cell a débuté en 2013 (2015 chez nous) avec la Hyundai ix35 FCEV et la Toyota Mirai.
Le marché pourrait se développer d’ici 2030 avec une prévision de 2 % de parts de marché, notamment à cause des interdictions annoncées des moteurs à combustion interne essence et Diesel dans certains pays ou villes. Cette technologie devrait d’abord s’imposer parmi les taxis, les flottes (voitures, utilitaires, bus) de services publics ou de grandes entreprises. D’autant que ces véhicules pourraient être alimentés par des stations de remplissage privés relativement simples à installer et à exploiter, à condition de respecter certaines normes de sécurité.

La technologie FCEV : comment ça marche ?

Une pile à combustible à hydrogène est un générateur électrochimique. Il faut deux électrodes - une anode et une cathode – et un électrolyte. Le combustible, l’hydrogène, est amené sur l’anode. Il se dissocie alors en électrons et en ions. Les électrons sont bloqués par la membrane électrolyte que les ions peuvent traverser pour rejoindre la cathode. Les électrons doivent alors emprunter un autre chemin. C’est leur parcours via un circuit extérieur vers la cathode qui va créer le courant électrique continu. Un onduleur doit alors le transformer en courant alternatif pour animer le moteur électrique.

À la cathode, les ions, les électrons et de l’oxygène (O2) se retrouvent. Cette rencontre crée de la chaleur et de l’eau, évacuée à l’échappement. Pour accélérer la réaction chimique, il faut un catalyseur. Cela peut être du platine, rare et coûteux. Toutefois, des nanomatériaux ou des polymères peuvent le remplacer en totalité ou en partie. Cela réduit le coût de fabrication et la pollution.

L’hydrogène

Pour fonctionner, une voiture à pile à combustible (FCEV) a besoin d’oxygène qu’elle va simplement puiser dans l’atmosphère et de l’hydrogène comprimé dans ses réservoirs. Ce gaz, très abondant, est inflammable. Il est aussi incolore et inodore. Toutefois, il est très stable. Il faut donc beaucoup d’énergie pour l’extraire. Les méthodes actuellement les plus courantes sont le reformage de méthane et la gazéification du charbon de bois, très énergivores. Il y aussi l’électrolyse. Elle consiste à envoyer un courant électrique dans l’eau, via des électrodes, pour dissocier le dioxygène O2 et le dihydrogène H2.

Cette opération d'électrolyse nécessite de l’électricité. La production de cette dernière peut donc influencer le bilan carbone et la pollution globale du véhicule. De plus, le stockage et le transport de cet hydrogène, gaz léger et peu dense, nécessite de le mettre sous pression. Une des solutions « vertes » consiste à produire l’hydrogène directement à la station-service, avec de l’électricité issue de l’éolien et du photovoltaïque. Dans ce cas, le bilan puit-roue est alors positif pour les voitures FCEV. Cependant, le rendement de l’électricité entre la source de production et les roues n’est toujours pas favorable à la voiture hydrogène : 22 % là où une électrique à batterie est à 73 % en moyenne*.

Dans la voiture, l’H2 est stocké sous haute pression dans des réservoirs en carbone. Un volume de 125 l peut accueillir 5 kg d’H2 à 700 bars, soit assez pour faire au moins 500 km. Une batterie, compacte, est placée en tampon. Elle peut servir à stocker les surplus de production de la pile et la récupération de l’énergie cinétique.

Un réseau en développement

Pour pouvoir profiter pleinement de sa voiture à pile à combustible, il faut pouvoir faire le plein d’hydrogène. En 2018, il n’y avait que 2 stations en Belgique : une à Zaventem et une autre à Hal. Une 3e est prévue pour 2019 à Wilrijk. Et d’autres devraient suivre d’ici 2025. Toutefois, ce réseau reste très disparate. Néanmoins, les grandes flottes d’entreprise pourraient profiter d’un (ou plusieurs) centres de production d’hydrogène privé(s) pour faire le plein sur site.  -  Au niveau international, le réseau est également sporadique, même si l’Allemagne comptera déjà plus de 100 stations en 2019.  Toutefois, 12 pays européens ont promis de soutenir cette technologie : l’Allemagne, l’Autriche, la Belgique, le Danemark, la France, le Luxembourg, l’Islande, l’Italie, la Norvège, les Pays-Bas, le Royaume-Uni et la Suède. On peut donc espérer une multiplication des pompes H2 à partir de 2025. Ce qui pourrait pousser les constructeurs à lancer la commercialisation à grande échelle de modèles FCEV.
Les modèles FCEV sur le marché : Hyundai Nexo  -  Toyota Mirai  -  Hyundai ix35 FCEV (en occasion)  -  Honda FCX Clarity (pas encore disponible en Belgique) Mercedes GLC F-Cell (prochainement) La Mercedes GLC F-Cell a la particularité d’être également rechargeable comme une voiture électrique.
Les plus : Autonomie préservée; Remplissage en 5 minutes, comme un plein d’essence; N’émet que de l’eau à l’échappement; Moteur électrique; Écopastilles avantageuses (accès dans les villes avec LEZ); Fiscalité a priori favorable; Batterie moins imposante
Les moins : Le nombre limité de stations déjà en service; Utilisation du platine (mais en diminution); Prix des modèles; Nombre de modèles disponibles; Production H2 demandant beaucoup d’énergie qui peut ne pas être « verte »; Transport du H2 si non produit à la station  -  * À titre d'information, le rendement est de 37 % pour un Diesel et de 30 % pour un moteur essence. »(https://www.moniteurautomobile.be/conseils-auto/generalites/hydrogene-pile-a-combustible-fcev-tout-savoir.html )
-  26/10  -  Longtemps considérée comme un mode d’alimentation futuriste, la filière hydrogène fleurit aujourd’hui et semble offrir de nouvelles perspectives aux modes de transport propres. Ainsi, l’hydrogène ne permet pas seulement une utilisation sans émission de gaz à effet de serre, mais se positionne également comme une solution de stockage pour les énergies renouvelables.

En juin 2018, le plan de déploiement de l'hydrogène pour la transition énergétique a été présenté dans le cadre du plan climat et une mission parlementaire concernant le développement de la filière hydrogène dans le ferroviaire a été initiée. En juillet 2018, le gouvernement a présenté ses propositions de mesures pour la loi d'orientation des mobilités tant attendue, et entend "amorcer le développement de l'hydrogène comme outil d'une mobilité décarbonée". En septembre 2018, le premier train à hydrogène d'Alstom a été lancé en Allemagne et en octobre 2018, l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie (ADEME) a lancé un appel à projets sur la mobilité hydrogène.

Une transition de l'hydrogène "gris" à "vert"

En 2017, 96 % de la production mondiale d'hydrogène a été réalisée à partir d'hydrocarbures ce qui implique une émission de 13 kg de CO2 pour 1 kg d'hydrogène produit. Ce mode de production d'hydrogène est aujourd'hui appelé "l'hydrogène gris" et est à l'origine des principales critiques visant la filière. Néanmoins, l'hydrogène peut également s'obtenir par électrolyse, la photo-électrolyse de l'eau, la dissociation thermochimique de l'eau et l'utilisation de micro-organismes photosynthétiques ; l'électrolyse étant le moyen de production d'hydrogène "vert" le plus courant qui peine aujourd'hui à proposer un coût compétitif vis-à-vis des hydrocarbures.

Dans le cadre des mesures prises par le plan Hulot pour le développement de la filière hydrogène, l'achat des électrolyseurs devrait être subventionné à 20 %, mais le réel combat repose sur le coût de l'électricité qui représente 80 % du coût de la production hydrogène par électrolyse. Compte tenu de ce constat, de nombreux acteurs de la filière plébiscitent un hydrogène "gris" dans un premier temps afin de limiter le coût de la "transition hydrogène". Pourtant, le plan hydrogène de Nicolas Hulot et les récentes initiatives européennes autour de l'hydrogène s'orientent vers une focalisation sur un mode de production "hydrogène vert".

En effet, non seulement le coût de la production par électrolyse diminue, mais les défis technologiques liés au transport de l'hydrogène et à son stockage semblent progressivement trouver des solutions fiables. Ceci permet de concentrer les efforts politiques sur la production "verte" qui est essentielle pour l'intégrité et l'avenir de la filière hydrogène. La filière en France a, depuis 2018, une opportunité pour développer la réelle énergie verte du futur qui fait d'ores et déjà partie du présent et ne devrait pas s'embourber dans un développement semi-vert qui lui nuirait à terme. De nombreuses avancées telles que l'exonération de taxes pour les projets de production d'hydrogène décarbonée sont envisageables.

Un travail sur les matériaux de stockage

L'hydrogène pourrait être la solution pour remplacer les 20 % de circulations ferroviaires qui fonctionnent au diesel et dans un futur plus lointain, une solution pour remplacer le parc automobile à moteur thermique en combinaison avec la voiture électrique. Pour le parc ferroviaire, la technologie d'alimentation à travers des piles à combustible à hydrogène est mature comme l'a démontré la mise en service du train Coradia iLint d'Alstom en Allemagne ayant une vitesse maximale de 140 km/h et une autonomie de 1 000 kilomètres.

Néanmoins, pour imaginer des vitesses plus importantes qui permettraient d'élargir le marché pour les trains à hydrogène, le travail de recherche de la filière hydrogène devrait se focaliser sur les modes de stockage. En effet, des études considérables ont permis d'obtenir des piles à combustible à hydrogène compactes et ainsi possiblement embarquées.

Aujourd'hui, à 700 bars, il est possible de stocker 42 kg par m3, soit 238 litres pour 1 kg. Seul le stockage gazeux permet actuellement une autonomie comparable à celle offerte par le pétrole. Un tel réservoir de 100 kg coûte environ 2 000 euros, dont 40 % environ pour la matrice de fibre de carbone de l'enveloppe du réservoir. Un progrès sur les matériaux composites et les polymères qui constituent l'enveloppe interne destinée à prévenir les fuites, ainsi que sur les nanomatériaux qui augmenteraient la résistance des réservoirs, pourrait diminuer la taille et le coût des contenants. 

La filière a su convaincre du potentiel de l'hydrogène pour des applications mobiles et faire face au premier challenge posé par la technologie : la sécurité liée au transport et au stockage. Les projets de mobilité hydrogène se multiplient et la commercialisation de technologies hydrogène se développe dans l'automobile comme avec la Toyota Mirai, mais également dans le ferroviaire avec le train Coradia iLint d'Alstom. En parallèle, les orientations politiques se structurent afin de développer la filière hydrogène, mais deux défis principaux restent présents pour le bon développement de la technologie : le mode de production et les matériaux de stockage.

(https://www.lesechos.fr/idees-debats/cercle/cercle-188120-opinion-la-production-et-le-stockage-deux-variables-essentielles-pour-une-filiere-hydrogene-en-plein-developpement-2217069.php)

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Hydrogène : tout savoir sur la pile à combustible (FCEV)

Une page rédigée par Olivier Duquesne le 18.10.2018 du site « Le MONITEUR Automobile. Be »