Conduisez une voiture à pile à combustible à hydrogène comme une Toyota Mirai ou une Hyundai Nexo, et tout ce que l’on ressent au volant est identique à une voiture électrique à batterie : couple instantané, silence, rapport unique. La différence se situe entièrement en amont du moteur électrique. Une voiture électrique à batterie transporte son énergie déjà sous forme d’électricité, stockée chimiquement et libérée à la demande. Une voiture à pile à combustible (FCEV, Fuel-Cell Electric Vehicle) transporte son énergie sous forme d’hydrogène gazeux comprimé et produit elle-même l’électricité, en continu, à bord, au moment où elle en a besoin.
Le stack : où hydrogène et oxygène produisent de l’électricité, pas du feu
Le cœur d’une FCEV est le stack de piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane), des centaines de cellules individuelles empilées ensemble, chacune construite autour d’une fine membrane polymère recouverte d’un catalyseur en platine. L’hydrogène provenant du réservoir circule d’un côté de la membrane, où le catalyseur arrache les électrons de chaque molécule d’hydrogène, ne laissant passer à travers la membrane que les protons nus ; les électrons arrachés doivent faire le grand détour par un circuit externe pour atteindre l’autre côté, et c’est précisément ce détour forcé qui constitue le courant électrique propulsant la voiture. De l’autre côté de la membrane, les protons, les électrons et l’oxygène puisé dans l’air environnant se recombinent pour former les deux seules choses qu’une voiture à hydrogène rejette par son pot d’échappement : de la vapeur d’eau et de la chaleur. Il n’y a aucune combustion dans tout ce processus — c’est une réaction électrochimique contrôlée, le même principe de base qu’une batterie, sauf que le « carburant » circule en continu à travers elle au lieu d’y être stocké.
700 bars dans le plancher et le tunnel central
L’hydrogène est l’élément le plus léger qui existe, donc pour stocker une quantité utile d’énergie dans un réservoir de taille raisonnable, il doit être fortement comprimé : les FCEV routières le transportent à 700 bars (environ 10 000 psi), dans des réservoirs composites enveloppés de fibre de carbone spécialement conçus et crash-testés pour contenir cette pression même lors d’un choc sévère. C’est la raison principale pour laquelle les réservoirs des FCEV sont cylindriques et tendent à empiéter sur l’espace du plancher et du tunnel central plutôt que de se loger à plat sous le plancher comme le fait un pack de batteries — un cylindre résiste à la pression bien plus efficacement qu’une plaque plate. Un réservoir plein contient environ 5-6 kg d’hydrogène, suffisant pour environ 600 km d’autonomie sur les voitures de génération actuelle, et se remplit en trois à cinq minutes dans une station compatible : le seul avantage structurel net qu’une FCEV possède sur une voiture électrique à batterie, puisque le temps de ravitaillement dépend du débit du pistolet plutôt que de la limite chimique, de l’ordre de l’heure, qui plafonne la vitesse à laquelle une batterie peut accepter une charge en toute sécurité.
Toujours une voiture électrique : batterie, moteur, freinage récupératif, tout est là
Sous le stack de la pile à combustible, une FCEV est construite exactement comme la voiture à moteur électrique qu’elle est : la sortie du stack alimente un bloc d’électronique de puissance et un moteur de traction électrique identique en principe à celui d’une voiture électrique à batterie, et chaque FCEV embarque aussi une petite batterie tampon — bien plus petite que celle d’une BEV, typiquement 1-2 kWh — pour absorber l’énergie du freinage récupératif et couvrir les pics de puissance instantanés d’une accélération franche, auxquels une pile à combustible seule réagirait trop lentement. Concrètement au quotidien, cela signifie qu’une FCEV freine et accélère avec la même sensation récupérative, presque en une pédale, que n’importe quelle autre voiture électrique ; le rôle de la pile à combustible se limite à maintenir cette petite batterie chargée et à fournir une puissance de croisière stable, davantage comme un générateur que comme unique source d’énergie.
Pourquoi « zéro émission » ne veut pas dire « énergie gratuite » : le problème du puits-à-la-roue
Le problème d’efficacité de l’hydrogène apparaît avant même que la voiture n’entre en jeu. Produire de l’hydrogène par électrolyse (scinder l’eau grâce à l’électricité) fait perdre d’emblée environ 30 % de l’énergie injectée ; comprimer cet hydrogène à 700 bars et le transporter jusqu’à une station coûte encore de l’énergie ; le stack de la pile à combustible lui-même ne convertit, au mieux, qu’un peu plus de la moitié de l’énergie restante contenue dans l’hydrogène en électricité, le reste devenant chaleur perdue. En cumulant tout cela, une voiture à hydrogène ne transforme typiquement qu’environ 25-35 % de l’électricité d’origine en mouvement aux roues — contre environ 70-80 % pour une voiture électrique à batterie chargée directement depuis le réseau, qui évite entièrement la chaîne électrolyse-compression-pile à combustible. C’est précisément cet écart d’efficacité puits-à-la-roue qui explique pourquoi la plupart des constructeurs ayant exploré les FCEV dans les années 2010 (Toyota, Hyundai, et pendant un temps Honda et Mercedes-Benz) ont depuis réduit leur gamme à une poignée de modèles, tandis que les investissements de recherche sur l’hydrogène se sont de plus en plus orientés vers les poids lourds, les autobus et les trains, où le ravitaillement rapide et l’autonomie longue comptent davantage que chaque point d’efficacité, et où le poids des batteries pose un problème bien plus grand que sur une voiture particulière.
Le projet européen qui a construit le réseau de ravitaillement en hydrogène de l’Europe
Le véritable obstacle le plus important aux voitures à hydrogène n’a jamais vraiment été la voiture elle-même — c’est l’absence quasi totale d’endroits où faire le plein. C’est exactement ce vide que le projet européen H2ME – Hydrogen Mobility Europe (Horizon 2020, Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, coordonné par Element Energy, Royaume-Uni, 32,0 M€ de contribution européenne sur 62,3 M€ de budget total, 2015-2020) et son successeur H2ME 2 (coordonné par Environmental Resources Management, Royaume-Uni, 35,0 M€ de contribution européenne sur 106,5 M€ de budget total, 2016-2023) se sont proposé de combler, en reliant les initiatives nationales sur l’hydrogène de l’Allemagne, de la France, de la Scandinavie et du Royaume-Uni pour amorcer un véritable réseau de ravitaillement paneuropéen, tout en faisant croître la flotte de FCEV réellement en circulation sur ces routes — H2ME 2 a explicitement élargi le parc de véhicules en y incluant de nouveaux modèles particuliers de Honda et Mercedes-Benz, en plus de fourgons et d’autres plateformes. Les deux projets ont été menés sous l’égide de la FCH JU, le partenariat public-privé dédié de l’UE (comparable par sa structure à BATT4EU pour les batteries) destiné à cofinancer la technologie de l’hydrogène à une échelle qu’aucun programme national seul ne pourrait gérer.
Le projet européen qui a rendu le ravitaillement vraiment rapide
Remplir un réservoir d’hydrogène en quelques minutes à 700 bars est en soi un problème d’ingénierie difficile — comprimer du gaz aussi vite génère une chaleur qui doit être gérée avec précision, sous peine que le carburant n’entre pas en toute sécurité dans le réservoir. Le projet européen HyFast (Horizon 2020, SME Instrument Phase 2, coordonné par Cavendish Hydrogen, Danemark, 2,0 M€ de contribution européenne sur 2,9 M€ de budget total, 2015-2017) a fait passer la technologie de ravitaillement H2Station® d’un prototype déjà prometteur (TRL5, développé au fil d’années de R&D nationale antérieure) à une conception pleinement validée et prête pour la production (TRL8), capable de ces remplissages rapides à haute pression qui rendent réellement exploitable au quotidien le seul véritable avantage pratique de l’hydrogène sur la recharge des batteries.
Photo: © Car-Shooters