L’hydrogène garantit une autonomie nettement supérieure à la batterie, mais…
L’hydrogène, l’avion et la voiture électrique
Bien qu’il existe de nombreuses marques disponibles, il n’y a que deux choix pour alimenter les véhicules ou les avions électriques: les piles à combustible ou les batteries. Comme le démontrent les recherches d’Airbus, l’hydrogène peut aussi être utilisé pour alimenter les moteurs à réaction des avions. L’hydrogène et l’électricité pour les batteries peuvent être produits à partir de sources renouvelables. Chaque kilogramme de poids de batterie pour augmenter l’autonomie nécessite un poids structurel supplémentaire, un moteur à couple plus élevé, des freins plus lourds et, par conséquent, plus de batteries pour supporter la masse supplémentaire. La composition du poids limite l’autonomie du véhicule jusqu’à ce qu’une nouvelle amélioration dans le développement de la batterie améliore la densité d’énergie par kg. Pour les véhicules à pile à hydrogène, la composition du poids n’est pas un problème. Comparaison entre hydrogène Comparaison du poids nécessaire par km d’autonomie entre cellules combustibles à hydrogène, en bleu, et batteries, en rose.
La densité énergétique de l’hydrogène est 151 fois supérieure à celle d’une batterie Li-ion!
Le Japon a annoncé son intention de soutenir et d’hydrogène et s’est engagé à introduire 160 stations à hydrogène et 40000 véhicules à pile à combustible d’ici mars 2021 (Tajitsu & Tsukimori, 2018). À première vue, l’hydrogène a tous les avantages pour remplacer les combustibles fossiles. Énergie hydrogène comprimé par unité de masse de près de 40 000 Wh / Kg. Les batteries au lithium-ion sont capables d’atteindre 260 Wh / Kg, soit 151 fois moins d’énergie par kg que l’hydrogène ! En raison de sa densité énergétique et de sa légèreté, l’hydrogène est capable de fournir une autonomie étendue sans ajouter de poids significatif, ce qui constitue un obstacle important à l’intégration dans l’industrie aéronautique. Chaque kilogramme de poids de batterie pour augmenter l’autonomie nécessite un poids structurel supplémentaire, un moteur à couple plus élevé, des freins plus lourds et, par conséquent, plus de batteries pour supporter la masse supplémentaire. La composition du poids limite l’autonomie du véhicule jusqu’à ce qu’une nouvelle amélioration dans le développement de la batterie améliore la densité d’énergie par kg. Pour les véhicules à pile à hydrogène, la composition du poids n’est pas un problème. De plus, le ravitaillement en carburant du véhicule prend beaucoup moins de temps avec de l’hydrogène que le rechargement des batteries.
Efficacité énergétique des véhicules à pile à combustible = 30%, contre 76 % pour les VE à batterie
Comme Volkswagen l’explique clairement dans l’image ci-dessus, la voiture électrique à batteries est économiquement beaucoup plus compétitive que la voiture à hydrogène. L’hydrogène nécessite plus d’énergie pour être produit et il se trouve généralement dans l’eau, les hydrocarbures (comme le méthane) et d’autres matières organiques. Le plus grand défi qui empêche d’être utilisé comme mécanisme de stockage d’énergie vient de pouvoir extraire efficacement les composés mentionnés précédemment. Un procédé pour extraire l’hydrogène provient d’une méthode appelée «réaction de reformage vapeur-méthane». Bien qu’il s’agisse de la méthode la plus courante de production industrielle d’hydrogène, elle nécessite beaucoup d’énergie pour la chaleur, ce qui entraîne une inefficacité élevée.
Une autre méthode pour produire de l’hydrogène est «l’électrolyse». Bien que l’énergie nécessaire à ce processus puisse être générée par des sources renouvelables, elle nécessite plus d’énergie que le reformage à la vapeur et finit par perdre 30% de l’énergie provenant de l’apport énergétique d’origine des énergies renouvelables (Arnold, 2017). Une méthode légèrement plus efficace de production d’hydrogène est l’électrolyse par «membrane d’échange de protons» (PEM) avec une perte de seulement 18% (S Badwal S Giddey F T Ciacchi, 2006).
De plus, il y a plus de perte d’énergie due au transport et au stockage de l’hydrogène produit. L’hydrogène a une faible densité au format gaz et liquide, donc pour atteindre une densité d’énergie suffisante, nous devons augmenter sa densité réelle. La méthode la plus efficace consiste à comprimer l’hydrogène à 680 atm, mais cela nécessite environ 13% du contenu énergétique total de l’hydrogène lui-même (Bossel et Eliasson, 2009). Alternativement, l’hydrogène peut être liquéfié par cryogénie mais avec une perte efficace de 40% (Makridis, n.d.).
Après la production et le stockage de l’hydrogène, une infrastructure d’hydrogène viable nécessite que l’hydrogène puisse être livré de l’origine de la production au point d’utilisation final. Le site de production de l’hydrogène peut avoir un impact significatif sur le coût et la livraison. Une installation située au centre, capable de produire de grandes quantités d’hydrogène, peut produire à des prix plus bas, mais la livraison de l’hydrogène coûte plus cher car le point final d’utilisation est éloigné. Une installation de production distribuée peut produire de l’hydrogène sur le lieu de la demande avec un faible coût de livraison. Cependant, le coût de production est plus élevé car le volume de production est moindre. En raison de l’infrastructure actuelle et testée de fourniture d’énergie par le biais de tuyaux, nous devons supposer que l’hydrogène serait transféré par camion et par pipelines où les pertes d’énergie peuvent varier de 10% à 40% (Interstate Natural Gas Association of America, 2010).
Une autre raison pour laquelle l’efficacité est réduite en utilisant l’hydrogène est l’efficacité de la conversion du réservoir à la roue. Pour les véhicules à hydrogène, l’hydrogène contenu dans le réservoir doit être reconverti en énergie électrique, ce qui se fait par pile à combustible. Selon le Département américain de l’énergie, la technologie des piles à combustible a le potentiel d’atteindre 60% d’efficacité, la majeure partie du reste de l’énergie étant perdue sous forme de chaleur (Département américain de l’énergie, 2011). Cependant, afin de clarifier ce chiffre, cet article utilisera 47% comme efficacité de la pile à combustible PEM (Pellow, Emmott, Barnhart et Benson, 2015).
Efficacité de la batterie
Les batteries au lithium-ion ont connu un développement important au cours des 20 dernières années en réponse à l’augmentation des ventes de véhicules électriques. La densité énergétique des batteries au lithium-ion a presque triblé entre les périodes du milieu des années 1990 au milieu des années 2010 (Thangavelu et Chau, 2013). Dans le cas où l’énergie utilisée pour recharger les batteries provient de sources renouvelables, nous devons considérer les pertes de transport vers le réseau. En utilisant l’UE pour les pertes de transport et de distribution, la valeur moyenne est de 6% (OCDE / AIE, 2014). De plus, l’infrastructure de recharge a une perte d’efficacité de seulement 1% (M., 2014). Dans le meilleur des cas, avec des taux d’efficacité élevés tout au long de la procédure, les véhicules électriques à batterie constituent la solution la plus efficace pour alimenter un véhicule. Ainsi, malgré le fait que le véhicule à pile à combustible pourrait être en mesure d’aller plus loin avec un réservoir plein d’hydrogène par rapport à une batterie alimentée, le coût nécessaire pour charger complètement le réservoir est plus élevé en raison des pertes d’énergie et des inefficacités. Le coût au kilomètre est un peu plus de 3 fois plus élevé pour l’hydrogène. en effet, il est des trois centimes d’euros par kilomètre pour Tesla modèle 3 (75 kWh), est de 9,5 centimes par kilomètre pour une Toyota Miray.
Les coûts supplémentaires affecteront davantage le prix au kilomètre comme le coût de la construction de l’installation et le profit de la station d’hydrogène. À l’heure actuelle, les pertes d’énergie et les inefficacités mentionnées ci-dessus stimulent le marché où la majorité des investissements et de la recherche concernent les véhicules électriques à batterie
Les voitures particulières conduites par des moteurs électriques (VE) ont une efficacité du réservoir de carburant à la roue plus élevée que les voitures équipées d’un moteur à combustion interne, où environ 80 % de l’énergie du combustible est transformé en chaleur, donc gaspillée. Un moteur électrique transforme environ 85 % de l’énergie en mouvement, et seulement 15 % en chaleur. Les préoccupations concernant la capacité et l’autonomie des batteries constituent une incitation technologique à accroître encore l’efficacité énergétique. Il en va de même pour les bus et les camions électriques. Cependant, le rendement du moteur EV dépend du profil de charge et des limites du système, ce qui complique la façon dont cela est évalué.
L’hydrogène, choix rentable pour les véhicules pésant plus de 4 t, avions et trains?
Il est possible que les piles à hydrogène soient mises en œuvre avec succès dans les camions long-courriers, les trains et les ambulances qui bénéficieraient d’une autonomie plus longue et le développement d’infrastructures pourrait être facilement déployé pour alimenter leurs bases. Cela est encore plus vrai pour les avions, comme le démontre récemment Airbus. Néanmoins, sur la base des méthodes actuelles de production, de stockage et de conversion de l’hydrogène en électricité, les inefficacités limiteraient l’augmentation de la part du marché automobile.