Véhicule à hydrogène

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Un véhicule à hydrogène est un type de véhicule à carburant alternatif qui utilise du carburant hydrogène comme force motrice . Les véhicules à hydrogène comprennent les fusées spatiales à hydrogène , ainsi que les automobiles et autres véhicules de transport. L’énergie est générée en convertissant l’ énergie chimique de l’hydrogène en énergie mécanique , soit en faisant réagir l’hydrogène avec de l’oxygène dans une pile à combustible pour alimenter des moteurs électriques , soit, moins fréquemment, en brûlant de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne . [2]

La Toyota Mirai 2015 est l’un des premiers véhicules à pile à combustible à hydrogène à être commercialisé. La Mirai est basée sur le concept-car de véhicule à pile à combustible (FCV) de Toyota (illustré). [1]

À partir de 2021 [mettre à jour], il existe deux modèles de voitures à hydrogène accessibles au public sur certains marchés : la Toyota Mirai (2014–), qui est le premier Véhicule électrique à pile à combustible (FCEV) produit en série au monde, et la Hyundai Nexo (2018–) . La Honda Clarity a été produite de 2016 à 2021. [3] La plupart des entreprises qui avaient testé des voitures à hydrogène sont passées aux voitures électriques à batterie ; Volkswagen a déclaré que la technologie n’avait pas d’avenir dans l’espace automobile, principalement parce qu’un Véhicule électrique à pile à combustible consomme environ trois fois plus d’énergie qu’une Voiture électrique à batterie pour chaque kilomètre parcouru. [4] À partir de décembre 2020[mettre à jour], il y avait 31 225 FCEV passagers propulsés à l’hydrogène sur les routes du monde. [5]

Depuis 2019, 98% de l’hydrogène est produit par Reformage du méthane à la vapeur , qui émet du monoxyde de carbone. [6] Il peut être produit par des moyens thermochimiques ou pyrolytiques en utilisant des matières premières renouvelables , mais les procédés sont actuellement coûteux. [7] Diverses technologies sont en cours de développement qui visent à fournir des coûts suffisamment bas et des quantités suffisamment importantes pour concurrencer la production d’hydrogène à partir de gaz naturel. [8]

Les avantages de la technologie de l’hydrogène sont un temps de ravitaillement rapide (comparable à l’essence) et une longue autonomie avec un seul réservoir. Les inconvénients de l’utilisation de l’hydrogène sont les émissions de carbone élevées lorsque l’hydrogène est produit à partir de gaz naturel, le coût du capital, la faible teneur en énergie par unité de volume dans les conditions ambiantes, la production et la compression de l’hydrogène, l’investissement nécessaire pour construire des stations -service dans le monde entier pour distribuer l’hydrogène . , le transport de l’hydrogène vers les stations-service et l’impossibilité de produire ou de distribuer de l’hydrogène à domicile. [9] [10] [11]

Véhicules

Honda FCX Clarity , un véhicule de démonstration à pile à combustible à hydrogène introduit en 2008

Les automobiles, les bus , les chariots élévateurs, les trains , les vélos PHB , les péniches , les vélos cargo , les voiturettes de golf , les motos , les fauteuils roulants , les navires , les avions , les sous- marins et les fusées peuvent déjà fonctionner à l’hydrogène, sous diverses formes. La NASA a utilisé de l’hydrogène pour lancer des navettes spatiales dans l’espace. Un modèle de Voiture fonctionne à l’énergie solaire , utilisant une pile à combustible régénérative pour stocker l’énergie sous forme d’hydrogène et d’ oxygènegaz. Il peut ensuite reconvertir le carburant en eau pour libérer l’énergie solaire. [12] Depuis l’avènement de la fracturation hydraulique , la principale préoccupation pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène est la confusion des consommateurs et des politiques publiques concernant l’adoption de véhicules à hydrogène alimentés au gaz naturel avec de fortes émissions cachées au détriment d’un transport respectueux de l’environnement. [11]

Voitures

À partir de 2021 [mettre à jour], il existe deux voitures à hydrogène accessibles au public sur certains marchés : la Toyota Mirai et la Hyundai Nexo . [13] La Honda Clarity a été produite de 2016 à 2021. [3]

Le Hyundai Nexo est un VUS multisegment alimenté par une pile à combustible à hydrogène

En 2013, le Hyundai Tucson FCEV a été lancé, il s’agissait d’une conversion du Tucson et disponible uniquement en conduite à gauche et est devenu le premier véhicule de ce type produit en série dans le monde. [14] [15] Hyundai Nexo , qui a succédé au Tucson en 2018, a été sélectionné comme le “SUV le plus sûr” par l’Euro NCAP en 2018 [16] et a été classé “Bon” dans un test de collision latérale mené par l’Insurance Institute pour la sécurité routière (IIHS) [17]

Toyota a lancé fin 2014 le premier véhicule à pile à combustible (FCV) dédié au monde, le Mirai , au Japon et a commencé ses ventes en Californie, principalement dans la région de Los Angeles, ainsi que sur certains marchés en Europe, au Royaume-Uni, en Allemagne et Danemark [18] plus tard en 2015. [19] La Voiture a une autonomie de 312 mi (502 km) et prend environ cinq minutes pour remplir son réservoir d’hydrogène. Le prix de vente initial au Japon était d’environ 7 millions de yens (69 000 $). [20] L’ancien président du Parlement européen, Pat Cox , a estimé que Toyota perdrait initialement environ 100 000 $ sur chaque Mirai vendue. [21] Fin 2019, Toyota avait vendu plus de 10 000 Mirais. [22] [6]De nombreux constructeurs automobiles ont introduit des modèles de démonstration en nombre limité (voir Liste des véhicules à pile à combustible et Liste des véhicules à moteur à combustion interne à hydrogène ). [23] [24]

En 2013 , BMW a loué la technologie de l’hydrogène à Toyota , et un groupe formé par Ford Motor Company , Daimler AG et Nissan a annoncé une collaboration sur le développement de la technologie de l’hydrogène. [25] En 2017, cependant, Daimler avait abandonné le développement de véhicules à hydrogène, [26] et la plupart des constructeurs automobiles développant des voitures à hydrogène s’étaient tournés vers les véhicules électriques à batterie. [27] En 2020, tous les constructeurs automobiles sauf trois avaient abandonné leurs projets de fabrication de voitures à hydrogène. [28]

Course automobile

Un record de 207,297 miles par heure (333,612 km / h) a été établi par un prototype de Voiture de course à pile à combustible Ford Fusion Hydrogen 999 aux Bonneville Salt Flats, en août 2007, en utilisant un grand réservoir d’oxygène comprimé pour augmenter la puissance. [29] Le record de vitesse au sol pour un véhicule à hydrogène de 286,476 miles par heure (461,038 km/h) a été établi par le Buckeye Bullet 2 de l’Ohio State University , qui a atteint une vitesse “volante” de 280,007 miles par heure. heure (450,628 km/h) aux Salines de Bonneville en août 2008.

En 2007, la Hydrogen Electric Racing Federation a été créée en tant qu’organisation de course pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène. L’organisation a parrainé l’Hydrogen 500, une course de 500 milles. [30]

Les autobus

Bus Solaris Urbino 12 près de l’usine de Bolechowo, Pologne

Des bus à pile à combustible ont été testés par plusieurs fabricants dans différents endroits, par exemple, l’ Ursus Lublin. [31] Solaris Bus & Coach a présenté ses bus électriques à hydrogène Urbino 12 en 2019. Plusieurs dizaines ont été commandés. [32] En 2022, la ville de Montpellier , en France, a annulé un contrat pour l’achat de 51 bus alimentés par des piles à combustible à hydrogène, lorsqu’elle a constaté que “le coût de fonctionnement de l’hydrogène [des bus] est 6 fois supérieur au coût de l’électricité”. [33]

Tramways et trains

En mars 2015, China South Rail Corporation (CSR) a présenté le premier tramway au monde à pile à combustible à hydrogène dans une usine d’assemblage à Qingdao. L’ingénieur en chef de la filiale CSR CSR Sifang Co Ltd. , Liang Jianying, a déclaré que l’entreprise étudie comment réduire les coûts de fonctionnement du tramway. [34] Des pistes pour le nouveau véhicule ont été construites dans sept villes chinoises. La Chine prévoit de dépenser 200 milliards de yuans (32 milliards de dollars) jusqu’en 2020 pour augmenter les voies de tramway à plus de 1 200 miles. [35]

Dans le nord de l’Allemagne, en 2018, les premiers trains Coradia iLint alimentés par pile à combustible ont été mis en service; l’énergie excédentaire est stockée dans des batteries lithium-ion . [36]

Un train expérimental “Hydroflex”, British Rail Class 799 , a commencé les tests en Grande-Bretagne en juin 2019. [37]

En 2022, East Japan Railway Company a commencé à tester un train à pile à combustible, nommé HYBARI . [38]

Navires

À partir de 2019 [mettre à jour], les piles à combustible à hydrogène ne conviennent pas à la propulsion des grands navires longue distance, mais elles sont considérées comme un prolongateur d’autonomie pour les navires électriques plus petits, à courte distance et à basse vitesse, tels que les ferries. [39] L’hydrogène dans l’ammoniac est considéré comme un carburant longue distance. [40]

Vélos

Vélo à hydrogène PHB

En 2007, Pearl Hydrogen Power Source Technology Co de Shanghai , en Chine, a fait la démonstration d’un vélo à hydrogène PHB . [41] [42] En 2014, des scientifiques australiens de l’ Université de Nouvelle-Galles du Sud ont présenté leur modèle Hy-Cycle. [43] La même année, Canyon Bicycles a commencé à travailler sur le vélo concept Eco Speed. [44]

En 2017, Pragma Industries de France a développé un vélo capable de parcourir 100 km avec une seule bouteille d’hydrogène. [45] En 2019, Pragma a annoncé que le produit, “Alpha Bike”, avait été amélioré pour offrir une autonomie de pédalage à assistance électrique de 150 km, et les 200 premiers vélos devaient être fournis aux journalistes couvrant le 45e sommet du G7 en Biarritz , France. En cas de succès, [46] Lloyd Alter de TreeHuggera répondu à l’annonce, demandant “pourquoi… se donner la peine d’utiliser l’électricité pour fabriquer de l’hydrogène, seulement pour la retransformer en électricité pour charger une batterie pour faire fonctionner le vélo électrique [ou] choisir un carburant qui nécessite une station-service coûteuse qui ne peut gérer que 35 vélos par jour, alors que vous pouvez recharger un vélo alimenté par batterie n’importe où. [Si] vous étiez un opérateur de flotte captive, pourquoi [ne pas] simplement échanger les batteries pour obtenir l’autonomie et la rotation rapide ? » [47]

Véhicules militaires

La division militaire de General Motors , GM Defence , se concentre sur les véhicules à pile à combustible à hydrogène. [48] ​​Son SURUS (Silent Utility Rover Universal Superstructure) est une plate-forme électrique à pile à combustible flexible dotée de capacités autonomes. Depuis avril 2017, l’armée américaine teste le Chevrolet Colorado ZH2 commercial sur ses bases américaines pour déterminer la viabilité des véhicules à hydrogène dans les environnements tactiques des missions militaires. [49]

Motos et scooters

ENV développe des motos électriques alimentées par une pile à combustible à hydrogène, dont le Crosscage et le Biplane . D’autres constructeurs comme Vectrix travaillent sur des scooters à hydrogène. [50] Enfin, des scooters hybrides électriques à pile à combustible à hydrogène sont en cours de fabrication, tels que le scooter à pile à combustible Suzuki Burgman [51] et le FHybrid . [52] Le Burgman a reçu l’approbation “de type de véhicule entier” dans l’UE. [53] La société taïwanaise APFCT a mené un test de rue en direct avec 80 scooters à pile à combustible pour le Bureau de l’énergie de Taïwan. [54]

Pousse-pousse automatiques

Des véhicules concept de pousse-pousse automatique à hydrogène ont été construits par Mahindra HyAlfa et Bajaj Auto. [55] [56]

Quads et tracteurs

Le H-Due [57] d’ Autostudi Srl est un quad à hydrogène, capable de transporter 1 à 3 passagers. Un concept de tracteur à hydrogène a été proposé. [58]

Avions

Le démonstrateur de pile à combustible de Boeing alimenté par une pile à combustible à hydrogène

Des entreprises telles que Boeing , Lange Aviation et le Centre aérospatial allemand recherchent l’hydrogène comme carburant pour les avions avec ou sans équipage. En février 2008, Boeing a testé un vol en équipage d’un petit Avion propulsé par une pile à hydrogène. Des avions à hydrogène sans équipage ont également été testés. [59] Pour les gros avions de passagers, le Times a rapporté que “Boeing a déclaré qu’il était peu probable que les piles à combustible à hydrogène propulsent les moteurs des gros avions à réaction de passagers, mais qu’elles pouvaient être utilisées comme unités d’alimentation de secours ou auxiliaires à bord.” [60]

En juillet 2010, Boeing a dévoilé son drone Phantom Eye à hydrogène , propulsé par deux moteurs à combustion interne Ford qui ont été convertis pour fonctionner à l’hydrogène. [61]

En Grande-Bretagne, les Reaction Engines A2 ont été proposés pour utiliser les propriétés thermodynamiques de l’ hydrogène liquide pour réaliser un vol à très grande vitesse et sur de longues distances (antipodal) en le brûlant dans un moteur à réaction prérefroidi .

Chariots élévateurs

Un chariot élévateur à moteur à combustion interne à hydrogène (ou “HICE”) ou chariot élévateur HICE est un chariot élévateur industriel à moteur à combustion interne à hydrogène utilisé pour soulever et transporter des matériaux. Le premier chariot élévateur HICE de production basé sur le Linde X39 Diesel a été présenté lors d’une exposition à Hanovre le 27 mai 2008. Il utilisait un moteur à combustion interne diesel de 2,0 litres et 43 kW (58 ch) converti pour utiliser l’hydrogène comme carburant avec le utilisation d’un compresseur et injection directe . [62] [63]

Un chariot élévateur à pile à combustible (également appelé chariot élévateur à pile à combustible) est un chariot élévateur industriel à pile à combustible. En 2013, plus de 4 000 chariots élévateurs à pile à combustible étaient utilisés dans la manutention de matériaux aux États-Unis. [64] Le marché mondial a été estimé à 1 million de chariots élévateurs à pile à combustible par an pour 2014-2016. [65] Des flottes sont exploitées par des entreprises du monde entier. [66] Pike Research a déclaré en 2011 que les chariots élévateurs à pile à combustible seront le principal moteur de la demande de carburant hydrogène d’ici 2020. [67]

La plupart des entreprises en Europe et aux États-Unis n’utilisent pas de chariots élévateurs à essence, car ces véhicules travaillent à l’intérieur où les émissions doivent être contrôlées et utilisent à la place des chariots élévateurs électriques. [65] [68] Les chariots élévateurs à pile à combustible peuvent offrir des avantages par rapport aux chariots élévateurs à batterie car ils peuvent être ravitaillés en 3 minutes. Ils peuvent être utilisés dans des entrepôts frigorifiques, car leurs performances ne sont pas dégradées par des températures plus basses. Les unités de pile à combustible sont souvent conçues comme des remplacements instantanés. [69] [70]

Fusées

De nombreuses grosses fusées utilisent de l’hydrogène liquide comme carburant, avec de l’oxygène liquide comme oxydant (LH2/LOX). Un avantage du carburant de fusée à hydrogène est la vitesse d’échappement efficace élevée par rapport aux moteurs kérosène / LOX ou UDMH / NTO . Selon l’équation de la fusée de Tsiolkovsky , une fusée avec une vitesse d’échappement plus élevée utilise moins de propulseur pour accélérer. De plus, la densité énergétique de l’hydrogène est supérieure à celle de tout autre carburant. [71] LH2/LOX donne également la plus grande efficacité par rapport à la quantité de propulseur consommée, de tout propulseur de fusée connu. [72]

Un inconvénient des moteurs LH2/LOX est la faible densité et la basse température de l’hydrogène liquide, ce qui signifie que des réservoirs de carburant plus grands et isolés et donc plus lourds sont nécessaires. Cela augmente la masse structurelle de la fusée, ce qui réduit considérablement son delta-v. Un autre inconvénient est la faible capacité de stockage des fusées alimentées par LH2/LOX : en raison de l’ébullition constante de l’hydrogène, la fusée doit être alimentée peu de temps avant le lancement, ce qui rend les moteurs cryogéniques inadaptés aux ICBM et autres applications de fusée nécessitant de courtes préparations de lancement. .

Globalement, le delta-v d’un étage hydrogène n’est généralement pas très différent de celui d’un étage à combustible dense, mais le poids d’un étage hydrogène est bien moindre, ce qui le rend particulièrement efficace pour les étages supérieurs, puisqu’ils sont portés par les étages inférieurs. étapes. Pour les premiers étages, les fusées à carburant dense dans les études peuvent présenter un petit avantage, en raison de la taille plus petite du véhicule et de la traînée d’air inférieure. [73]

LH2/LOX ont également été utilisés dans la navette spatiale pour faire fonctionner les piles à combustible qui alimentent les systèmes électriques. [74] Le sous-produit de la pile à combustible est l’eau, qui est utilisée pour boire et pour d’autres applications nécessitant de l’eau dans l’espace.

Camions lourds

United Parcel Service a commencé à tester un véhicule de livraison à hydrogène en 2017. [75] US Hybrid , Toyota et Kenworth prévoient également de tester des camions à pile à combustible à hydrogène de factage de classe 8 . [76]

En 2020, Hyundai a commencé la production commerciale de ses camions à pile à combustible Xcient et en a expédié dix en Suisse . Il prévoit de vendre sur des marchés supplémentaires, [77] [78] [79] y compris les États-Unis d’ici 2022. [80]

Véhicule à combustion interne

Les voitures à moteur à combustion interne à hydrogène sont différentes des voitures à pile à combustible à hydrogène. La Voiture à combustion interne à hydrogène est une version légèrement modifiée de la Voiture à moteur à combustion interne à essence traditionnelle . Ces moteurs à hydrogène brûlent du carburant de la même manière que les moteurs à essence ; la principale différence est le produit d’échappement. La combustion de l’essence entraîne principalement des émissions de dioxyde de carbone et d’eau, ainsi que des traces de monoxyde de carbone , de NOx , de particules et d’hydrocarbures non brûlés, [81] tandis que le principal produit d’échappement de la combustion de l’hydrogène est la vapeur d’eau.

En 1807 , François Isaac de Rivaz conçoit le premier moteur à combustion interne à hydrogène . [82] En 1965, Roger Billings, alors lycéen, a converti un modèle A pour qu’il fonctionne à l’hydrogène. [83] En 1970, Paul Dieges a breveté une modification des moteurs à combustion interne qui permettait à un moteur à essence de fonctionner à l’hydrogène. [84]

Mazda a développé des moteurs Wankel brûlant de l’hydrogène, qui sont utilisés dans la Mazda RX-8 Hydrogen RE . L’avantage d’utiliser un moteur à combustion interne, comme les moteurs Wankel et à pistons, est le moindre coût de réoutillage pour la production. [85]

Des chariots élévateurs HICE ont été démontrés [86] basés sur des moteurs à combustion interne diesel convertis à injection directe . [63]

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Pile à combustible

Coût de la pile à combustible

Les piles à combustible à hydrogène sont relativement coûteuses à produire, car leurs conceptions nécessitent des substances rares, telles que le platine , comme catalyseur , [87] En 2014, l’ancien président du Parlement européen, Pat Cox , a estimé que Toyota perdrait initialement environ 100 000 $ sur chaque Mirai vendue. [21] En 2020, des chercheurs du département de chimie de l’Université de Copenhague développent un nouveau type de catalyseur qui, espèrent-ils, réduira le coût des piles à combustible. [88]Ce nouveau catalyseur utilise beaucoup moins de platine car les nanoparticules de platine ne sont pas recouvertes de carbone qui, dans les piles à combustible à hydrogène conventionnelles, maintient les nanoparticules en place mais rend également le catalyseur instable et le dénature lentement, nécessitant encore plus de platine . La nouvelle technologie utilise des nanofils durables au lieu des nanoparticules. “La prochaine étape pour les chercheurs consiste à étendre leurs résultats afin que la technologie puisse être mise en œuvre dans les véhicules à hydrogène.” [89]

Conditions de gel

Les problèmes des premières conceptions de piles à combustible à basse température concernant l’autonomie et les capacités de démarrage à froid ont été résolus de sorte qu’elles “ne peuvent plus être considérées comme des obstacles”. [90] En 2014, les utilisateurs ont déclaré que leurs véhicules à pile à combustible fonctionnaient parfaitement à des températures inférieures à zéro, même lorsque les radiateurs explosaient, sans réduire considérablement l’autonomie. [91] Des études utilisant la radiographie neutronique sur un démarrage à froid non assisté indiquent la formation de glace dans la cathode, [92] trois étapes de démarrage à froid [93] et la conductivité ionique Nafion. [94] Un paramètre, défini comme le coulomb de charge, a également été défini pour mesurer la capacité de démarrage à froid. [95]

Durée de vie

La durée de vie des piles à combustible est comparable à celle des autres véhicules. [96] La durée de vie d’une pile à combustible à membrane polymère-électrolyte (PEM) est de 7 300 heures dans des conditions de cyclage. [97]

Hydrogène

L’hydrogène n’existe pas dans des réservoirs ou des gisements pratiques comme les combustibles fossiles ou l’hélium . [98] Il est produit à partir de matières premières telles que le gaz naturel et la biomasse ou électrolysé à partir d’eau. [99] Un avantage suggéré du déploiement à grande échelle des véhicules à hydrogène est qu’il pourrait entraîner une diminution des émissions de gaz à effet de serre et de précurseurs de l’ozone. [100] Cependant, depuis 2014, 95 % de l’hydrogène est fabriqué à partir de méthane . Il peut être produit par des moyens thermochimiques ou pyrolitiques en utilisant des matières premières renouvelables, mais c’est un procédé coûteux. [7] L’électricité renouvelable peut cependant être utilisée pour alimenter la conversion de l’eau en hydrogène : Integrated wind-to-hydrogen (power to gas ), utilisant l’ électrolyse de l’eau , explorent des technologies permettant de fournir des coûts suffisamment bas et des quantités suffisamment importantes pour concurrencer les sources d’énergie traditionnelles. [101]

Selon Ford Motor Company, un véhicule à pile à combustible à hydrogène ne générerait que les trois cinquièmes de la quantité de dioxyde de carbone d’un véhicule comparable fonctionnant à l’essence mélangée à 10 % d’éthanol. [102] Bien que les méthodes de production d’hydrogène qui n’utilisent pas de combustible fossile seraient plus durables, [103] actuellement, les énergies renouvelables ne représentent qu’un faible pourcentage de l’énergie produite, et l’électricité produite à partir de sources renouvelables peut être utilisée plus efficacement dans les véhicules électriques et pour applications hors véhicule. [104]

Les enjeux de l’utilisation de l’hydrogène dans les véhicules concernent principalement son stockage à bord du véhicule. Alors que l’efficacité du puits à la roue pour l’hydrogène de la manière la moins efficace de le produire (électrolyse) est inférieure à 25 %, [11] [105] [106] [107] elle dépasse toujours celle des véhicules basés sur des moteurs à combustion interne . [108] [109]

Production

L’hydrogène moléculaire nécessaire comme carburant embarqué pour les véhicules à hydrogène peut être obtenu par de nombreuses méthodes thermochimiques utilisant du gaz naturel , du charbon (par un processus connu sous le nom de gazéification du charbon), du gaz de pétrole liquéfié , de la biomasse ( gazéification de la biomasse ), par un processus appelé thermolyse , ou en tant que déchet microbien appelé biohydrogène ou production d’hydrogène biologique . 95 % de l’hydrogène est produit à partir de gaz naturel [110] et 85 % de l’hydrogène produit est utilisé pour éliminer le soufre de l’essence. L’hydrogène peut également être produit à partir d’eau par électrolyse à des rendements de travail de 65 à 70 %.[111] L’hydrogène peut également être fabriqué par réduction chimique à l’aide d’hydrures chimiques ou d’aluminium. [112] Les technologies actuelles de fabrication d’hydrogène utilisent de l’énergie sous diverses formes, totalisant entre 25 et 50 % du pouvoir calorifique supérieur de l’hydrogène, utilisé pour produire, comprimer ou liquéfier et transmettre l’hydrogène par pipeline ou par camion. [103]

Les conséquences environnementales de la production d’hydrogène à partir de ressources énergétiques fossiles incluent l’émission de gaz à effet de serre , conséquence qui résulterait également du reformage embarqué du méthanol en hydrogène. [105] Les analyses comparant les conséquences environnementales de la production et de l’utilisation d’hydrogène dans les véhicules à pile à combustible au raffinage du pétrole et à la combustion dans les moteurs automobiles conventionnels ne s’accordent pas sur la question de savoir s’il en résulterait une réduction nette de l’ozone et des gaz à effet de serre. [11] [100] La production d’hydrogène à l’aide de ressources énergétiques renouvelables ne créerait pas de telles émissions, mais l’échelle de la production d’énergie renouvelable devrait être élargie pour être utilisée dans la production d’hydrogène pour une part importante des besoins de transport.[113] En 2016, 14,9 % de l’électricité américaine était produite à partir de sources renouvelables. [114] Dans quelques pays, les sources renouvelables sont utilisées plus largement pour produire de l’énergie et de l’hydrogène. Par exemple, l’Islande utilise l’énergie géothermique pour produire de l’hydrogène [115] et le Danemark utilise le vent . [116]

Stockage

Marque de stockage d’hydrogène comprimé

L’hydrogène comprimé dans des réservoirs d’hydrogène à 350 bars (5 000 psi) et 700 bars (10 000 psi) est utilisé pour les systèmes de réservoirs d’hydrogène dans les véhicules, basés sur la technologie des composites de carbone de type IV. [117]

L’hydrogène a une très faible densité d’énergie volumétrique dans les conditions ambiantes, par rapport à l’essence et aux autres carburants pour véhicules. [118] Il doit être stocké dans un véhicule soit sous forme de liquide super-refroidi, soit sous forme de gaz hautement comprimé, ce qui nécessite une énergie supplémentaire pour être accompli. [119] En 2018, des chercheurs du CSIRO en Australie ont alimenté une Toyota Mirai et une Hyundai Nexo avec de l’hydrogène séparé de l’ammoniac à l’aide d’une technologie à membrane. L’ammoniac est plus facile à transporter en toute sécurité dans des camions-citernes que l’hydrogène pur. [120]

Infrastructure

Ravitaillement Voiture hydrogène Alimentation en hydrogène Le ravitaillement d’un véhicule à hydrogène. Le véhicule est un Hyundai Nexo . Notez la condensation autour de la poignée ; cela est dû à l’expansion de l’hydrogène gazeux, provoquant le gel de la poignée.

L’ infrastructure hydrogène se compose de stations-service équipées d’hydrogène , qui sont alimentées en hydrogène via des remorques à tubes d’hydrogène comprimé , des camions-citernes d’hydrogène liquide ou une production dédiée sur site, et certains transports industriels par canalisation d’hydrogène . La distribution de carburant hydrogène pour les véhicules à travers les États-Unis nécessiterait de nouvelles stations d’hydrogène qui coûteraient entre 20 milliards de dollars aux États-Unis [121] (4,6 milliards dans l’UE). [122] et un demi-billion de dollars aux États-Unis. [11] [123]

En 2021 , il y avait 49 stations de ravitaillement en hydrogène[mettre à jour] accessibles au public aux États-Unis, dont 48 étaient situées en Californie (contre 42 830 stations de recharge électrique). [124] [125] En 2017, il y avait 91 stations de ravitaillement en hydrogène au Japon. [126]

Codes et standards

Les codes et les normes de l’hydrogène , ainsi que les codes et les normes techniques pour la sécurité de l’hydrogène et le stockage de l’hydrogène , ont constitué un obstacle institutionnel au déploiement des technologies de l’hydrogène . Pour permettre la commercialisation de l’hydrogène dans les produits de consommation, de nouveaux codes et normes doivent être élaborés et adoptés par les gouvernements fédéral, étatiques et locaux. [127]

Soutien officiel

Initiatives américaines

En 2003, George W. Bush a annoncé une initiative visant à promouvoir les véhicules à hydrogène. [128] En 2009, le président Obama et son secrétaire à l’énergie Steven Chu ont supprimé le financement de la technologie des piles à combustible après avoir conclu que la technologie était encore à des décennies. Sous de vives critiques, le financement a été partiellement rétabli. [129] [130]

En 2013, le sénateur Byron L. Dorgan a déclaré que “le projet de loi sur les crédits d’énergie et d’eau investit dans les efforts de notre pays pour développer des sources d’énergie locales sûres qui réduiront notre dépendance au pétrole étranger. Et, parce que la recherche et le développement en cours sont nécessaires pour développer technologies révolutionnaires, ce projet de loi rétablit également le financement de la recherche sur l’énergie hydrogène. » La même année, le département américain de l’énergie a accordé 9 millions de dollars de subventions pour accélérer le développement technologique, 4,5 millions pour les membranes avancées des piles à combustible, 3 millions de dollars à 3 millions pour travailler sur des membranes avec une durabilité et des performances améliorées, et 1,5 million à l’ école du Colorado . of Mines pour des travaux sur des membranes de piles à combustible plus simples et plus abordables. [131]Des investissements américains dans le ravitaillement étaient prévus en 2014. [132]

Autres efforts

Au Japon, l’hydrogène doit principalement provenir de l’extérieur du Japon. [99] [133]

La Norvège prévoit une série de stations de ravitaillement en hydrogène le long des routes principales. [134] [135]

Critique

Les critiques affirment que le délai pour surmonter les défis techniques et économiques liés à la mise en œuvre à grande échelle des voitures à hydrogène devrait durer au moins plusieurs décennies. [104] [136] Ils affirment que l’accent mis sur l’utilisation de la Voiture à hydrogène est un détour dangereux par rapport aux solutions plus facilement disponibles pour réduire l’utilisation des carburants fossiles dans les véhicules. [137] En mai 2008, Wired News a rapporté que “les experts disent qu’il faudra 40 ans ou plus avant que l’hydrogène n’ait un impact significatif sur la consommation d’essence ou le réchauffement climatique, et nous ne pouvons pas nous permettre d’attendre aussi longtemps”. les cellules détournent des ressources de solutions plus immédiates.” [138]

Les critiques des véhicules à hydrogène sont présentées dans le documentaire de 2006, Who Killed the Electric Car? . Selon l’ancien responsable du Département américain de l’énergie , Joseph Romm , “Une Voiture à hydrogène est l’un des moyens les moins efficaces et les plus coûteux de réduire les gaz à effet de serre”. Interrogé sur la date à laquelle les voitures à hydrogène seront largement disponibles, Romm a répondu : “Pas de notre vivant, et très probablement jamais.” [139] Le Los Angeles Times a écrit, en 2009, “La technologie de la pile à combustible à hydrogène ne fonctionnera pas dans les voitures. … De toute façon, l’hydrogène est une mauvaise façon de déplacer les voitures.” [140] Le magazine The Economist , en 2008, cite Robert Zubrin , l’auteur de Energy Victory, en disant: “L’hydrogène est” à peu près le pire carburant possible pour les véhicules “”. [141] Le magazine a noté le retrait de la Californie des objectifs antérieurs : “En [2008], le California Air Resources Board , une agence du gouvernement de l’État de Californie et un indicateur pour les gouvernements des États à travers l’Amérique, a modifié ses exigences en matière de nombre d’ émissions zéro émission. véhicules (ZEV) qui seront construits et vendus en Californie entre 2012 et 2014. Le mandat révisé permet aux fabricants de se conformer aux règles en construisant davantage de voitures électriques à batterie au lieu de véhicules à pile à combustible. [141]Le magazine a également noté que la majeure partie de l’hydrogène est produite par Reformage du méthane à la vapeur, ce qui crée au moins autant d’émissions de carbone par mile que certaines des voitures à essence d’aujourd’hui. En revanche, si l’hydrogène pouvait être produit à partir d’énergies renouvelables, “il serait sûrement plus facile d’utiliser simplement cette énergie pour recharger les batteries des véhicules tout électriques ou hybrides rechargeables”. [141] En 2019, 98 % de l’hydrogène est produit par le Reformage du méthane à la vapeur , qui émet du dioxyde de carbone. [6]

Une étude de 2009 à UC Davis , publiée dans le Journal of Power Sources , a également révélé que, au cours de leur durée de vie, les véhicules à hydrogène émettront plus de carbone que les véhicules à essence. [142] Cela concorde avec une analyse de 2014. [11] Le Washington Post a demandé en 2009, « Pourquoi voudriez-vous stocker de l’énergie sous forme d’hydrogène, puis utiliser cet hydrogène pour produire de l’électricité pour un moteur, alors que l’énergie électrique attend déjà d’être aspirée par les prises ? partout en Amérique et stockées dans des batteries d’automobiles » ? [110] The Motley Fool a déclaré en 2013 qu'”il existe encore des obstacles prohibitifs [pour les voitures à hydrogène] liés au transport, au stockage et, surtout, à la production”. [143]

Rudolf Krebs de Volkswagen a déclaré en 2013 que “peu importe à quel point vous fabriquez les voitures elles-mêmes, les lois de la physique entravent leur efficacité globale. Le moyen le plus efficace de convertir l’énergie en mobilité est l’électricité”. Il a précisé : “La mobilité de l’hydrogène n’a de sens que si vous utilisez de l’énergie verte”, mais… vous devez d’abord la convertir en hydrogène “avec de faibles rendements” où “vous perdez environ 40 % de l’énergie initiale”. Il faut ensuite comprimer l’hydrogène et le stocker sous haute pression dans des réservoirs, ce qui consomme plus d’énergie. “Et puis vous devez reconvertir l’hydrogène en électricité dans une pile à combustible avec une autre perte d’efficacité”. Krebs a poursuivi : “En fin de compte, à partir de vos 100 % d’énergie électrique d’origine, vous vous retrouvez avec 30 à 40 %.”

L’hydrogène pur peut être dérivé industriellement, mais il nécessite de l’énergie. Si cette énergie ne provient pas de sources renouvelables, alors les voitures à pile à combustible ne sont pas aussi propres qu’elles le paraissent. … Un autre défi est le manque d’infrastructures. Les stations-service doivent investir dans la capacité de ravitailler les réservoirs d’hydrogène avant que les FCEV [véhicules électriques à pile à combustible] ne deviennent pratiques, et il est peu probable que beaucoup le fassent alors qu’il y a si peu de clients sur la route aujourd’hui. … Au manque d’infrastructures s’ajoute le coût élevé de la technologie. Les piles à combustible sont “encore très, très chères”. [144]

En 2014, Joseph Romm a consacré trois articles à la mise à jour de ses critiques des véhicules à hydrogène faites dans son livre The Hype about Hydrogen . Il a déclaré que les véhicules à pile à combustible n’avaient toujours pas surmonté le coût élevé des véhicules, le coût élevé du carburant et le manque d’infrastructure de livraison de carburant. “Il faudrait plusieurs miracles pour surmonter tous ces problèmes simultanément dans les décennies à venir.” [145] De plus, a-t-il écrit, « les FCV ne sont pas écologiques » en raison du méthane qui s’échappe lors de l’extraction du gaz naturel et lorsque l’hydrogène est produit, comme 95 % de celui-ci, en utilisant le processus de reformage à la vapeur. Il a conclu que les énergies renouvelables ne peuvent pas être utilisées de manière économique pour fabriquer de l’hydrogène pour une flotte de FCV “ni maintenant ni dans le futur”. [146] Média des technologies vertesL’analyste de est parvenu à des conclusions similaires en 2014. [147] En 2015, Clean Technica a répertorié certains des inconvénients des véhicules à pile à combustible à hydrogène [148] , tout comme Car Throttle . [149] Un autre auteur de Clean Technica a conclu que “bien que l’hydrogène puisse avoir un rôle à jouer dans le monde du stockage d’énergie (en particulier le stockage saisonnier), il ressemble à une impasse en ce qui concerne les véhicules grand public”. [150] Une étude de 2016 dans le numéro de novembre de la revue Energy par des scientifiques de l’Université de Stanford et de l’ Université technique de Municha conclu que, même en supposant une production locale d’hydrogène, “investir dans des véhicules à batterie entièrement électriques est un choix plus économique pour réduire les émissions de dioxyde de carbone, principalement en raison de leur coût inférieur et de leur efficacité énergétique nettement supérieure”. [151]

Une analyse de 2017 publiée dans Green Car Reports a conclu que les meilleurs véhicules à pile à combustible à hydrogène consomment “plus de trois fois plus d’électricité par mile qu’un véhicule électrique … génèrent plus d’émissions de gaz à effet de serre que les autres technologies de groupe motopropulseur … [et ont ] des coûts de carburant très élevés. … Compte tenu de tous les obstacles et des exigences pour les nouvelles infrastructures (dont le coût est estimé à 400 milliards de dollars), les véhicules à pile à combustible semblent être au mieux une technologie de niche, avec peu d’impact sur la consommation de pétrole aux États-Unis [126] Le département américain de l’énergie est d’accord, pour le carburant produit par l’électricité du réseau via l’électrolyse, mais pas pour la plupart des autres voies de production [152] Une vidéo de 2019 par Real Engineeringa noté que, malgré l’introduction de véhicules fonctionnant à l’hydrogène, l’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les voitures ne contribue pas à réduire les émissions de carbone provenant des transports. Les 95 % d’hydrogène encore produits à partir de combustibles fossiles libèrent du dioxyde de carbone, et produire de l’hydrogène à partir de l’eau est un processus énergivore. Le stockage de l’hydrogène nécessite plus d’énergie soit pour le refroidir à l’état liquide, soit pour le mettre dans des réservoirs sous haute pression, et livrer l’hydrogène aux stations-service nécessite plus d’énergie et peut libérer plus de carbone. L’hydrogène nécessaire pour déplacer un FCV sur un kilomètre coûte environ 8 fois plus cher que l’électricité nécessaire pour déplacer un BEV sur la même distance. [153]Toujours en 2019, Katsushi Inoue, président de Honda Europe, a déclaré : « Nous nous concentrons désormais sur les véhicules hybrides et électriques. Peut-être que les voitures à pile à combustible à hydrogène viendront, mais c’est une technologie pour la prochaine ère. [154]

Les évaluations depuis 2020 ont conclu que les véhicules à hydrogène ne sont encore efficaces qu’à 38 %, tandis que les véhicules électriques à batterie sont efficaces de 80 à 95 %. [155] [156] Une évaluation de 2021 par CleanTechnica a conclu que si les voitures à hydrogène sont beaucoup moins efficaces que les voitures électriques, la grande majorité de l’hydrogène produit pollue l’hydrogène gris et la livraison d’hydrogène nécessiterait la construction d’une nouvelle infrastructure vaste et coûteuse, le les deux autres “avantages des véhicules à pile à combustible – une autonomie plus longue et des temps de ravitaillement rapides – sont rapidement érodés par l’amélioration de la batterie et de la technologie de charge”. [28]

Sécurité et approvisionnement

Le carburant hydrogène est dangereux en raison de la faible énergie d’allumage (voir aussi Température d’auto -inflammation ) et de l’énergie de combustion élevée de l’hydrogène, et parce qu’il a tendance à fuir facilement des réservoirs. [157] Des explosions dans des stations-service d’hydrogène ont été signalées. [158] Les stations de ravitaillement en hydrogène reçoivent généralement des livraisons d’hydrogène par camion de fournisseurs d’hydrogène. Une interruption dans une installation d’approvisionnement en hydrogène peut fermer plusieurs stations de ravitaillement en hydrogène. [159]

Comparaison avec d’autres types de véhicules à carburant alternatif

Les véhicules à hydrogène sont en concurrence avec diverses alternatives proposées à l’ infrastructure moderne des véhicules à combustible fossile . [87]

Hybrides rechargeables

Cette rubrique doit être mise à jour . ( novembre 2013 )Veuillez aider à mettre à jour cet article pour refléter les événements récents ou les informations nouvellement disponibles.
Dernière mise à jour : Les chiffres présentés ne reflètent pas la technologie actuellement disponible.

Les véhicules électriques hybrides rechargeables , ou PHEV, sont des véhicules hybrides pouvant être branchés au réseau électrique et contenant un moteur électrique ainsi qu’un moteur à combustion interne . Le concept PHEV augmente les véhicules électriques hybrides standard avec la possibilité de recharger leurs batteries à partir d’une source externe, permettant une utilisation accrue des moteurs électriques du véhicule tout en réduisant leur dépendance aux moteurs à combustion interne. L’infrastructure nécessaire pour recharger les PHEV est déjà en place, [160]et la transmission de l’électricité du réseau à la Voiture est efficace à environ 93 %. Cependant, ce n’est pas la seule perte d’énergie lors du transfert d’énergie du réseau aux roues. La conversion AC/DC doit avoir lieu de l’alimentation AC du réseau vers l’alimentation DC du PHEV. C’est environ 98% d’efficacité. [161] La batterie doit alors être chargée. En 2007, la batterie lithium fer phosphate était efficace entre 80 et 90 % en charge/décharge. [162] La batterie doit être refroidie. [163]En 2009, “l’efficacité totale du puits aux roues avec laquelle un véhicule à pile à combustible à hydrogène pourrait utiliser de l’électricité renouvelable est d’environ 20%. … L’efficacité du puits aux roues de charger une batterie embarquée puis de la décharger pour fonctionner un moteur électrique dans un PHEV ou EV, cependant, est 80%… quatre fois plus efficace que les voies actuelles des véhicules à pile à combustible à hydrogène.” [107] Une étude de décembre 2009 à UC Davis a révélé qu’au cours de leur durée de vie, les PHEV émettront moins de carbone que les véhicules actuels, tandis que les voitures à hydrogène émettront plus de carbone que les véhicules à essence. [142]

Gaz naturel

Les véhicules au gaz naturel comprimé (GNC), au HCNG , au GPL ou au GNL (véhicules au gaz naturel ou GNV) à moteur à combustion interne utilisent directement le méthane ( gaz naturel ou biogaz ) comme source de carburant. Le gaz naturel a une densité énergétique plus élevée que l’hydrogène gazeux. Les GNV utilisant du biogaz sont quasiment neutres en carbone . [164] Contrairement aux véhicules à hydrogène, les véhicules au GNC sont disponibles depuis de nombreuses années et il existe une infrastructure suffisante pour fournir des stations de ravitaillement commerciales et domestiques. Dans le monde, il y avait 14,8 millions de véhicules au gaz naturel à la fin de 2011. [165]L’autre utilisation du gaz naturel est le reformage à la vapeur , qui est le moyen courant de produire de l’hydrogène gazeux destiné aux voitures électriques à pile à combustible. [6]

Véhicules tout électriques

Un article de 2008 Technology Review déclarait: «Les voitures électriques – et les voitures hybrides rechargeables – ont un énorme avantage sur les véhicules à pile à combustible à hydrogène en utilisant de l’électricité à faible émission de carbone. C’est en raison de l’inefficacité inhérente de l’ensemble du processus de ravitaillement en hydrogène, de générer de l’hydrogène avec cette électricité pour transporter ce gaz diffus sur de longues distances, obtenir l’hydrogène dans la Voiture, puis le faire passer à travers une pile à combustible – tout cela dans le but de reconvertir l’hydrogène en électricité pour entraîner exactement le même moteur électrique que vous ‘ trouverez dans une Voiture électrique.” [166] Du point de vue thermodynamique, chaque étape supplémentaire du processus de conversion diminue l’efficacité globale du processus. [167] [168]

Une comparaison de 2013 entre les véhicules électriques à hydrogène et à batterie concordait avec le chiffre de 25 % d’Ulf Bossel en 2006 et indiquait que le coût d’une batterie de véhicule électrique “baisse rapidement et que l’écart va encore se creuser”, alors qu’il existe peu infrastructure pour transporter, stocker et livrer l’hydrogène aux véhicules et coûterait des milliards de dollars à mettre en place, les prises de courant domestiques de tout le monde sont des stations de « ravitaillement en carburant pour véhicules électriques » et le « coût de l’électricité (selon la source) est au moins 75 % moins cher que l’hydrogène.” [169] En 2018, le coût des batteries de VE était tombé à moins de 150 $ par kWh. [170]

Les premières conceptions de voitures électriques offraient une autonomie limitée, ce qui provoquait une anxiété liée à l’autonomie . Par exemple, la Nissan Leaf 2013 avait une autonomie de 75 mi (121 km), [171] Les modèles EV plus récents ont généralement une autonomie considérablement plus grande ; par exemple, la Tesla Model S 2020 a une autonomie de plus de 400 mi (640 km). [172] La plupart des déplacements aux États-Unis sont de 30 à 40 miles (48 à 64 km) par jour aller-retour, [173] et en Europe, la plupart des trajets sont d’environ 20 kilomètres (12 mi) aller-retour [174]

En 2013, John Swanton du California Air Resources Board , qui considérait les véhicules électriques et les véhicules à hydrogène comme des technologies complémentaires, a déclaré que les véhicules électriques avaient pris le pas sur les voitures à pile à combustible, qui “sont comme les véhicules électriques il y a 10 ans. Les véhicules électriques sont destinés aux vrais consommateurs, avec les véhicules électriques, vous disposez de nombreuses infrastructures [175] The Business Insider, en 2013, a déclaré que si l’énergie nécessaire à la production d’hydrogène “ne provient pas de sources renouvelables, alors les voitures à pile à combustible ne sont pas aussi propres qu’elles le paraissent. … Les stations-service doivent investir dans la capacité de ravitailler les réservoirs d’hydrogène avant que les FCEV ne deviennent pratique, et il est peu probable que beaucoup le fassent alors qu’il y a si peu de clients sur la route aujourd’hui. … Le manque d’infrastructures est aggravé par le coût élevé de la technologie. Les piles à combustible sont “encore très, très chères”, même par rapport aux les véhicules électriques alimentés par batterie [144]

Voir également

  • Dirigeable
  • Voiture à carburant alternatif
  • Moteur bivalent
  • Scooter à essence
  • Carburant neutre en carbone
  • Véhicule d’acide formique
  • Enfer et hautes eaux
  • Pile à combustible à membrane échangeuse de protons
  • L’économie de l’hydrogène
  • Le battage médiatique autour de l’hydrogène
  • Véhicule tribride
  • Voiture verte du monde

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  170. ^ Hanley, Steve. “Envision Energy indique que les coûts des cellules de batterie EV tomberont en dessous de 50 $/kWh d’ici 2025” Archivé le 2019-03-02 sur Wayback Machine , CleanTechnica.com, 7 décembre 2018
  171. ^ “La Nissan Leaf 2013 obtient une économie de carburant, une amélioration de l’autonomie, déclare l’EPA” Archivé le 03/12/2013 à la Wayback Machine , Edmunds.com, 3 mai 2013
  172. ^ Tesla Motors. “Tesla Model S” Archivé le 07/09/2018 à la Wayback Machine , Tesla Motors , 2020
  173. ^ “2009 National Household Travel Survey” Archivé le 31/10/2014 à la Wayback Machine , US Department of Transportation, 12 août 2014,
  174. ^ Enquête de l’EEE archivée le 18/05/2015 à la Wayback Machine . Agence européenne pour l’environnement
  175. ^ Scauzillo, Steve. “LA Auto Show stimule le nouveau marché des voitures vertes” Archivé le 07/11/2014 à la Wayback Machine , The Trentonian , 23 novembre 2013

Liens externes

Wikimedia Commons a des médias liés aux véhicules à hydrogène .
  • Page d’accueil du partenariat californien sur les piles à combustible
  • Fuel Cell Today – Renseignements basés sur le marché de l’industrie des piles à combustible
  • Pages sur l’hydrogène du Département américain de l’énergie
  • Sandia Corporation – Description du moteur à combustion interne à hydrogène
  • À l’intérieur de la première Voiture de production à hydrogène au monde BBC News, 14 septembre 2010
  • Démonstration Toyota Ecopark Hydrogen ARENAWIRE, 22 mars 2019
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