Qu’est-ce qu’une voiture à hydrogène ?

Quand on parle de voiture électrique, on pense souvent à batteries, câble de recharge, électricité… Mais une voiture électrique ce n’est pas que ça ! Aujourd’hui, de plus en plus de constructeurs automobiles investissent la voiture électrique utilisant, à la place des batteries, une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène. On parle alors plus communément de voiture à hydrogène.

Mais concrètement, qu’est-ce qu’une voiture à hydrogène ? Comment fonctionne-t-elle ? Qu’est-ce qu’une pile à combustible ? Est-ce écologique ? Quels sont les avantages et les inconvénients de la voiture à hydrogène ? Le Groupe Chopard fait le point et vous explique tout… mais facilement !

Tout d’abord et afin de simplifier les explications, nous désignerons la molécule de « dihydrogène » (H₂) comme hydrogène ou molécule d’hydrogène. De la même manière, nous désignerons la molécule de « dioxygène» (O₂) comme oxygène ou molécule d’oxygène. Le dihydrogène et le dioxygène sont les gaz véritablement utilisés pour les voitures utilisant une pile à combustible à hydrogène.

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

Avant de rentrer dans le détail de comment fonctionne une voiture à hydrogène, il est opportun de définir ce qu’est l’hydrogène.

L’hydrogène est un élément chimique, un atome, désigné par la lettre H et il s’agit de l’élément le plus léger que l’on connaisse (ce qui constitue aussi bien un premier avantage qu'un premier désavantage, comme nous le verrons plus bas).

L’hydrogène est le gaz le plus présent sur Terre mais aussi dans l’Univers à hauteur de 75% de sa masse et 92% en nombre d’atomes. Pour autant, l’hydrogène est tellement léger qu’il s’échappe de notre atmosphère et finalement on ne le retrouve majoritairement que dans l’eau (H₂O). L’hydrogène est extrêmement rare dans l’air. C’est pour cela que la totalité de l’hydrogène que nous utilisons est produit industriellement par différents procédés. De récentes études révèlent cependant que d'importantes sources d'hydrogène sont présentes dans le sol naturellement et est synonyme d'hydrogène 100% décarboné. Pour le moment nous ne pouvons pas récupérer cet hydrogène faute de connaissances en la matière.

Dans le cas d’une voiture à hydrogène, les molécules d’hydrogène ne sont qu’un vecteur d’énergie. En effet, ce n’est pas directement l’hydrogène qui alimente le moteur de la voiture. Pour cela, il faut utiliser ce que l’on appelle une pile à combustible.

Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

L’hydrogène est donc utilisé dans l’objectif d’alimenter une pile à combustible et vous vous posez certainement la question « qu’est-ce qu’une pile à combustible ? ». Cette question est légitime et nous allons y répondre de la plus simple des manières.

La pile à combustible est l’organe central dans une voiture électrique à hydrogène. En effet, c’est bien celle-ci qui va fournir de l’électricité à la voiture.

Comme son nom l’indique, la pile à combustible est une… pile, mais qui a la particularité de produire sa propre électricité afin de la distribuer sans pouvoir la stocker ! Comme pour une pile ou une batterie de voiture électrique standard, la tension électrique se crée  grâce à une réaction sur deux électrodes.

Contrairement à une batterie de voiture électrique, la pile à combustible n'utilise pas de métaux tels que le lithium et le cobalt mais des gaz qui sont l’hydrogène et le dioxygène. Ce dernier est présent naturellement dans l'air et nous le respirons pour vivre.

Fonctionnement d’une pile à combustible

Bien que la réaction soit complexe, nous allons la simplifier au maximum en utilisant seulement une molécule d’hydrogène et une molécule d'oxygène. Ainsi, une pile à combustible fonctionne de cette manière :

Une molécule d’hydrogène est envoyée sur une électrode, l’anode. Sur cette électrode se produit une réaction chimique entre celle-ci et la molécule d’hydrogène permettant de dissocier la molécule d’hydrogène en deux noyaux d’hydrogène (cation H+) et deux électrons (e-). On parle alors d’oxydation. Les noyaux d’hydrogène et les électrons vont suivre deux chemins différents. Grâce à une membrane laissant passer tout sauf les électrons (électrolyte), les noyaux d’hydrogène (cations H+) rejoignent la seconde électrode, la cathode, qui est quant à elle chargée avec une molécule d'oxygène.

Les électrons, qui sont négatifs, vous toujours chercher à retrouver les atomes positifs, qui dans le cas d’une pile à combustible sont l’hydrogène (cation H+). Pour cela, les deux électrons vont emprunter un chemin secondaire via un matériau conducteur qui relie entres-elles les électrodes. En rejoignant l’électrode dans laquelle se trouve l’hydrogène (cation H+) et l'oxygène, les électrons vont, en bougeant, créer ce que l’on appelle du courant électrique. C’est celui-ci qui alimentera notre voiture à hydrogène !

En arrivant dans la seconde électrode, les deux électrons vont réagir avec la molécule d'oxygène pour former deux ions d’oxygène (O^-2). On parle alors de réduction. Ces deux ions d’oxygène vont ensuite réagir avec les deux noyaux d’hydrogène (cation H+) pour former de l’eau (H₂O) qui sortira par le pot d’échappement ainsi que de la chaleur pouvant être réutilisée.

Comment fonctionne une voiture à hydrogène ?

Maintenant que vous savez comment une pile à combustible produit de l’électricité, il serait bon de savoir comment une voiture à hydrogène l’utilise. En effet, l’énergie électrique produite peut être utilisée de différentes manières à bord d’une voiture à hydrogène.

Tout d’abord, ce qu’il faut savoir, c’est qu’une voiture à hydrogène est équipée, comme une voiture électrique standard, d’une batterie. En revanche celle-ci est bien plus petite et permet de stocker l’énergie électrique qui n’est pas consommée par le moteur électrique afin d’assister la pile à combustible si besoin.

Selon l’utilisation de la voiture hydrogène, voici les différents scénarii d’utilisation de l’énergie électrique :

• Au quotidien, la voiture à hydrogène produit de l’électricité qu’elle va soit stocker dans une batterie et la batterie en question alimente le moteur électrique soit utiliser directement l’énergie pour alimenter le moteur électrique et recharger la batterie avec l’excédent d’électricité.
• Si le besoin s’en fait sentir, la pile à combustible envoie l’intégralité de l’électricité produite au moteur électrique permettant de franches accélérations.
• Si la demande d’énergie est très importante, lors d’un dépassement à grande vitesse par exemple, la batterie soutient la pile à combustible et envoie simultanément son électricité au moteur.
• Comme les voitures électriques standards, la voiture à hydrogène est capable de regénérer sa batterie lors des phases de décélération et d’accélération.

Ces différents scenarii sont tous gérés par l'unité de contrôle de puissance.

Est-ce que la voiture à hydrogène est écologique ?

À la question « est-ce que la voiture à hydrogène est écologique », plusieurs réponses sont possibles… Oui, la voiture à hydrogène est écologique si l’on considère uniquement son usage puisqu’elle n’émet aucunes particules fines, aucun gaz à effet de serre, aucuns polluants… juste de l’eau distillée, de l'eau pure.

En revanche, si l’on remonte jusqu’à la production de la voiture et des molécules d’hydrogène, le tableau se ternit sur le court terme. Car oui, sur le long terme, tout comme une voiture électrique standard (mais dans une moindre mesure), la voiture à hydrogène est vertueuse.

Production de l’hydrogène

Tout d’abord, la production d’une voiture émet indéniablement du CO₂. Cependant, dans le cas d’une voiture à hydrogène, le point le plus important concerne la production de molécules d’hydrogène car comme évoqué précédemment on ne retrouve pas de molécules d’hydrogène dans l’atmosphère, celles-ci sont toujours combinées à d’autres molécules.

Cette production est aujourd’hui très carbonée et demande des matières fossiles telles que des gaz ou des hydrocarbures (on parle d’hydrogène gris). De nouvelles manières de produire de l’hydrogène en grande quantité et en limitant très fortement les émissions de CO2sont à l’étude.

Heureusement, il existe d’ores-et-déjà des solutions pour éviter ou limiter les émissions de gaz à effet de serre. La première consiste à capter le CO₂ émis par la prodution d'hydrogène carboné afin de le revaloriser (hydrogène bleu) et la seconde est l’électrolyse de l’eau.

Si l’hydrogène est produit de manière durable, il est un concurrent de poids face aux énergies fossiles. En effet, produire de l’hydrogène (hydrogène bleu) émettrait jusqu’à trois fois moins de CO2 que de produire de l’essence.

Électrolyse de l’eau

Si l’électrolyse de l’eau permet de produire de l’hydrogène sans émettre de CO2, elle nécessite énormément d’énergie électrique et celle-ci n’est pas toujours verte…

Si l’électrolyse est réalisée via de l’électricité verte (éolienne, solaire…), la production est pérenne dans le temps mais l’électricité verte est encore trop minoritaire pour être une alternative viable. On parle dans ce cas d’hydrogène vert.

En France, grâce au nucléaire, nous avons une électricité «​ très bas carbone » permettant de réaliser une électrolyse sans émettre directement de CO₂ (hydrogène jaune). Cependant, même si cette solution est aujourd’hui techniquement viable, le rendement et le coût d’une telle infrastructure est difficilement envisageable à l’heure actuelle si la voiture à hydrogène venait à se démocratiser.

Les avantages de la voiture à hydrogène

La voiture à hydrogène a des avantages indéniables vis-à-vis de la voiture électrique ou de la voiture thermique. Tout d’abord, le temps nécessaire à la recharge de l’hydrogène n’est guère plus long qu’un plein d’essence. Pour faire le plein en hydrogène, il faut compter entre 3 et 5 minutes.

Étant très léger, un plein d’hydrogène ne pèse que 6 ou 7 kilos ! Nous sommes loin des 50 à 100 kg d’essence d’une voiture thermique ou de la centaines de kilos d’une batterie dans une voiture électrique.

L’autonomie des voitures à hydrogène est également un grand avantage. En effet, selon le modèle, une voiture hydrogène peut parcourir jusqu’à 700 km ! La voiture à hydrogène profite d’un très bon rendement entre la pile à combustible et le moteur électrique.

Et pour finir, comme avec toutes voitures électriques, nous profitons d'un exceptionnel agrément de conduite offrant à la fois silence, absence de vibrations et fortes accélérations.

Les inconvénients de la voiture à hydrogène

Tout d’abord, et vous l’aurez déjà remarqué si vous vous intéressez aux voitures à hydrogène, le prix peut être dissuasif… En effet, une voiture à hydrogène est bien plus chère qu’une voiture électrique qui elle-même est bien plus chère qu’une voiture thermique. Il y a plusieurs raisons à cela et celles-ci sont toutes inhérente à sa technologie encore très peu répandue.

Premièrement, l’hydrogène est un gaz hautement inflammable quand il est en contact avec l’oxygène… De ce fait, les constructeurs font face à de sévères réglementations afin d’homologuer leurs voitures. Les réservoirs sont tous conçus en matériaux composites, tel que le carbone, et avec de nombreuses sécurités afin d’éviter les fuites. En effet, si la légèreté de l’hydrogène est un avantage, sa taille (l’hydrogène est l’élément connu le plus petit) pose un gros problème car il peut s’échapper très facilement. Afin de garantir la meilleure sécurité, les réservoirs sont notamment testés avec des tirs de mitrailleuse. Pour autant, l’hydrogène est utilisé depuis des dizaines d’années et son utilisation est maitrisée.

Toutes ces précautions ajoutent beaucoup de poids à la voiture : les réservoirs pèsent 130 kg et s’ajoutent à une pile à combustible déjà lourde qui pèse quant à elle 100 kg. On se rapproche finalement du poids d’une voiture électrique. De plus, pour pouvoir accueillir 6 à 7 kg d’hydrogène dans un réservoir de 130 litres, celui-ci doit être pressurisé à 700 bars.

En ce qui concerne la recharge, bien qu’elle soit rapide, elle hérite de l’un des plus gros désavantages de la voiture électrique : le réseau de recharge. Celui-ci est encore très rare et situé généralement dans les grandes villes ou station d’autoroute. De plus, vous ne parviendrez pas à réaliser des économies lors de la recharge car le prix est plus ou moins identique au plein d'une voiture thermique à essence pour un kilométrage identique.

Et pour finir, le rendement énergétique d’une voiture à hydrogène n’est aujourd’hui pas à son avantage si l’on prend en compte la production de l’hydrogène jusqu’au réservoir. Celui-ci est de l’ordre de 30% contre 70% pour une voiture électrique à batterie.