Electricité et Hydrogène, à deux c’est mieux.

29 Mai 2014

Depuis plus d’un siècle maintenant la voiture électrique tente de se faire une place dans le monde du véhicule de grande diffusion.

Sans succès jusqu’à présent, pour deux raisons principales:

Une autonomie très insuffisante malgré des batteries très lourdes, et l’absence d’un réseau de rechargement rapide.

Il faut dire que l’abondance du carburant pétrolier à faible coût a dissuadé les constructeurs de chercher à perfectionner la solution électrique.

L’arrivée sur le marché des batteries au Lithium, accompagnée d’éloges flatteurs dans la presse spécialisée, a pu faire croire que le problème était résolu, au moins pour ce qui concerne le poids. Hélas, plus d’une décennie après les débuts de la commercialisation du produit, il faut se rendre à l’évidence, la batterie Lithium-ion ne remplit pas ses promesses médiatiques, du moins pour l’automobile.

Par exemple la batterie qui équipe la Renault ZOE pèse 300 kg pour une capacité de 24 kWh, soit 80 Wh/kg, à peine 2,5 fois les performances de la classique vieille batterie au plomb de grand père, pour un prix comparativement astronomique, et tout çà pour une autonomie pratique de 150 kilomètres.

Ces maigres possibilités sont très éloignées de l’autonomie de 500 à 600 km à laquelle sont habitués les usagers de véhicules à essence, et beaucoup plus avec du gazole.

Malgré ce handicap quasiment rédhibitoire, certains constructeurs ont tenté de créer un marché du tout électrique, avec le succès que l’on sait.

Eu égard à la disponibilité totale de l’électricité, le problème de la recharge de batterie a pu être occulté un temps, le temps de s’apercevoir que des postes de recharge rapide sont indispensables et qu’ils n’existent pas ! Et en supposant qu’ils existent un jour, l’autonomie n’en resterait pas moins limitée à 150 km avec les batteries actuelles.

Il a donc fallu rajouter un moteur thermique dans les voiture dites « hybrides » afin de prendre la relève de la batterie défaillante. Ce moteur, baptisé « prolongateur d’autonomie », réalise en fait l’essentiel du travail et la propulsion électrique n’intervient que sporadiquement mais suffisamment pour figurer dans les dépliants publicitaires.

Comme tout hybride qui se respecte, la famille comporte plusieurs variétés, HEV, PHEV, micro-hybrides, semi-hybrides, full-hybrides, hybrides rechargeables, parmi lesquels l’usager peine à comprendre exactement ce qu’on veut lui vendre.

( Mais n’est-ce pas la base du commerce ?)

L’électricité se trouve alors réduite à un rôle d’assistance occasionnelle d’une propulsion thermique classique. Cette assistance intervient en principe en ville où les émissions de CO2 et de NOx sont (ou seront) prohibées un jour ou l’autre. Le reste du temps le moteur thermique continue d’émettre CO2 et Nox, pour permettre à l’engin de parcourir quelques centaines de kilomètres de plus.

Nous sommes donc très loin de l’objectif initial, qui était quand même de supprimer les émissions de CO2 et de Nox, faut-il le rappeler !

L’Hydrogène va peut-être nous permettre d’y revenir.

Les capacités énergétiques de l’Hydrogène sont connues depuis l’origine, mais son existence à l’état naturel était ignorée ( elle n’est désormais plus contestée, mais son « exploitatabilité » n’a pas encore été démontrée) et il fallait le produire à partir des énergies fossiles, ce qui ne présente aucun intérêt du point de vue des usages énergétiques en raison du coût élevé et de la pollution. Il a donc été utilisé essentiellement dans l’industrie chimique.

Il se consomme mondialement des quantités importantes de ce gaz produit à 95 % à partir des énergies fossiles, et à 5% par électrolyse de l’eau pour obtenir un produit très pur indispensable dans certains processus.

L’engouement pour les énergies renouvelables a mis en avant la possibilité d’obtenir par électrolyse de l’Hydrogène « vert » sans passer par les énergies fossiles.

Le développement de la pile à combustible a par ailleurs démontré la possibilité de refabriquer de l’électricité à partir de cet Hydrogène « vert », qui devient ainsi un vecteur d’énergie et une source indirecte d’énergie verte.

L’éolien et le photovoltaïque produisent une électricité intermittente affectée par de grandes fluctuations de courtes et longues durées difficilement prévisibles. La puissance installée doit donc être très supérieure à la puissance moyenne nécessaire pour obtenir l’énergie annuelle requise.

Actuellement l’électricité est produite à 80% par des centrales thermiques, qu’elles fonctionnent au fuel, au gaz naturel, au charbon, ou au nucléaire.

Pour obtenir une production annuelle de 100 TWh avec une installation thermique, dont le facteur de charge est de 80 %, il faut une puissance nominale installée de 14 GWe.

Pour obtenir la même production annuelle avec de l’éolien et/ou du photovoltaïque, dont le facteur de charge est de l’ordre de 30% au mieux, il faudra théoriquement une puissance nominale installée de 37 Gwe, soit 2,5 fois plus !

Heureusement, dans la pratique les fluctuations de production des diverses installations ne sont pas synchrones et il en résulte un certain lissage de l’intermittence qui réduit cet écart, qui demeure cependant très significatif et particulièrement dépendant de la météorologie journalière, saisonnière, et annuelle.

Lorsque l’on fonctionne aux énergies renouvelables, Il est donc indispensable de disposer de très grandes capacités de stockage permettant d’assurer une continuité des fournitures électriques.

Les centrales hydrauliques couplées à des retenues importantes constituent un moyen de stockage efficace, déjà partiellement utilisé aujourd’hui grâce au pompage-turbinage.

Mais on comprend bien que si ces moyens sont utilisés pour la production, ils ne sont plus disponibles pour le stockage, et vice-versa ! Or, en mode de production décarbonée, on aura besoin de tous les barrages hydrauliques pour produire, ils ne seront donc plus disponibles pour stocker.

C’est évident, mais il n’était pas inutile de le rappeler…

En France la place manque pour construire d’autres barrages de grande capacité, il faut donc trouver autre chose.

Parmi les divers procédés de stockage étudiés, l’Hydrogène paraît aujourd’hui le mieux placé pour répondre au problème.

Il peut être produit facilement par électrolyse de l’eau à partir d’électricité verte et avec un rendement convenable .

Il est stockable selon des procédés déjà maîtrisés aujourd’hui.

L’électricité peut être restituée grâce à des piles à Hydrogène, déjà disponibles sur le marché.

Il est également un vecteur d’énergie puisqu’il peut être transporté dans des bouteilles sous pression et/ou distribué dans un réseau qui peut être le réseau du gaz naturel ( des essais sont en cours), ou le réseau spécifique européen existant (1 500 kms aujourd’hui).

A poids égal, il contient trois fois plus d’énergie que les carburants pétroliers, ce qui en fait un candidat privilégié pour les transports.

Dès lors qu’une filière d’Hydrogène vert pourra exister pour le stockage de l’électricité, pourquoi ne pas l’utiliser aussi pour la propulsion de nos bagnoles ?

Théoriquement tout cela est fort intéressant.

Les constructeurs s’activent donc à intégrer cette solution dans des véhicules de démonstration, et même un peu plus.

Par exemple la Hyundai ix 35 FCEV , dont quelques exemplaires circulent, est équipée d’un moteur électrique de 100 kW alimenté par une batterie Lithium Polymère de 24 kWh, dont la charge est assurée par une pile à Hydrogène elle-même alimentée par une réserve de 144 L de ce gaz sous une pression de 700 kg. Les 5,64 kg d’Hydrogène permettent d’accomplir près de 600 km, et donc d’atteindre l’objectif d’autonomie sans émettre de gaz à effet de serre ou de Nox, ce qui est impossible avec une hybride à prolongateur d’autonomie thermique.

Cette présérie (quelques centaines de véhicules) apporte la démonstration que seule l’Hydrogène permet d’offrir une autonomie de 600 km en mode zéro émission, à condition bien sûr que l’électricité qui a servi à produire cet Hydrogène soit elle-même issue de sources vertes.

D’autres constructeurs proposent des modèles à Hydrogène:

Honda, Toyota, etc… Renault s’est essayé à l’exercice avec la Scenic ZEV - H2, qui préfigure un hypothétique modèle de série en 2020 ?

Certaines villes et collectivités territoriales initient des expériences en vraie grandeur. L’Allemagne possède un embryon de parc de véhicules à Hydrogène, de même que les USA.

Reste maintenant à faire de cet OVNI un objet grand public car de nombreux problèmes subsistent:

Introduire dans une voiture familiale un réservoir d’Hydrogène à 700 kg de pression n’est pas une opération anodine, ce gaz est très inflammable, très sujet aux fuites à cause de la petitesse de la molécule, et malgré les assurances des constructeurs sur la solidité des bouteilles, on peut s’interroger sur le comportement en cas d’accident important et/ou d’incendie.

En cas d’incendie le réservoir à 700 kg de pression va chauffer et exploser lorsque la limite de résistance sera atteinte; si une soupape de sécurité libère l’Hydrogène avant que la limite de pression ne soit atteinte, l’incendie sera activé par ce flot de gaz hautement combustible.

On a donc le choix d’être pulvérisé par l’explosion, ou cuit à point par le feu d’Hydrogène. Perspectives peu engageantes …

Ne perdons pas de vue que les explosions d’enceintes de confinement de réacteurs nucléaires sont dues au dégagement d’Hydrogène entraîné par l’emballement thermique du cœur qui provoque un craquage de l’eau de refroidissement.

Le gros danger de l’Hydrogène est le confinement, et quoi de plus confiné qu’un parking en sous-sol ?

Il ne faudra donc pas négliger ces gros problèmes de sécurité, et d’importants aménagements de la législation seront nécessaires avant d’autoriser ce procédé.

Il faut cependant noter qu’il existe un autre procédé de stockage de l’Hydrogène, ce sont les Hydrures métalliques qui permettent un fonctionnement à basse pression. Mais, comme tout nouveau procédé, une longue période de maturation sera nécessaire pour en établir la validité.

Au terme des 600 km il faudra bien refaire le plein.

Pas plus que pour recharger rapidement des batteries il n’existe de réseau de stations services permettant de fournir de l’Hydrogène à 700 kg de pression. Etablir un tel réseau n’est pas une mince affaire, technologiquement, juridiquement et financièrement. En France de telles installations sont classées SEVESO, la loi devra donc être révisée, et qui paiera pour de telles installations ?

D’autre part les performances actuelles des piles à Hydrogène ne permettent pas de fournir les pics de courant demandés lors des accélérations, elles doivent donc être soutenues par une batterie au Lithium, ce qui augmente le poids et le coût.

Enfin, l’extraordinaire battage autour des énergies vertes est contrebalancé par la persistance des énergies fossiles, qui restent disponibles à la pompe sans aucune espèce de restriction, ce qui rend problématique le succès à court terme d’un véhicule électrique pour lequel les structures d’accueil sont encore inexistantes.

Et pourquoi investir lourdement dans des nouvelles structures d’accueil alors que le pétrole et le gaz naturel continuent de couler à flot ?

Il est donc probable que la filière énergétique Hydrogène restera une option confidentielle, comme le tout électrique, en attendant un hypothétique évènement géopolitique qui rendrait son usage incontournable.

On peut aussi bien sûr croire au Père Noël et attendre un sursaut de sagesse des gouvernements qui décideraient à court terme une transition énergétique qui ferait la part belle à l’éolien, au solaire, et à ce drôle d’Hydrogène vert, nouvel avatar de la pureté écologique.

Hélas il est plus facile de trouver des états disposés à exploiter les gaz de schiste, à rouvrir des mines de Charbon, ou à construire des centrales nucléaires.

Selon l’AIEA , il y avait en 2012 dans le monde 436 réacteurs nucléaires en fonctionnement, 60 en construction, 155 planifiés et 338 envisagés.

Il est prévu par ailleurs que le Charbon et les produits similaires deviendront la première source mondiale d’énergie en 2020.

Apparemment le CO2 et le risque de catastrophe nucléaire n’effraient que les écologistes, dont la force de frappe médiatique est impuissante à infléchir la politique énergétique mondiale.

Face à une réalité si pesante, dont on ne peut que prendre acte, on est en droit de conclure que la transition énergétique n’est pas la première urgence pour la plupart des états.

Alors certes, il y aura de l’éolien, du solaire, de l’Hydrogène, et de la voiture électrique, mais qui longtemps encore seront cantonnés dans le rôle de faire valoir, une sorte de ticket modérateur valant quitus pour continuer dans le pétrole, le Gaz naturel, le charbon et le nucléaire, au moins jusqu’en 2050.

Alors, dans ce paysage énergétique tourmenté, certains prêtent un oreille aux rumeurs d’arrivée d’un chevalier blanc dénommé Hydrogène naturel.

Ce produit, auquel assez curieusement personne ne s’était intéressé jusqu’à présent, fait maintenant l’objet de recherches intensives, sous l’impulsion de nos amis russes, faut-il le préciser. Certes il avait bien été débusqué au fond des océans, le long des dorsales océaniques, mais son existence ailleurs était énergiquement nié par les experts géologues, tout comme le fameux pétrole abiotique.

Et voilà qu’il a suffit de regarder sommairement pour en trouver partout sous forme d’émanations naturelles souvent importantes.

(Où il se confirme que les obstacles au progrès sont souvent ceux que l’Homme s’impose à lui-même).

Tout ce que le monde compte d’énergéticiens s’active actuellement pour évaluer l’importance de la ressource et les moyens d’y accéder. IFPEN a engagé des moyens importants en 2013 pour évaluer l’exploitabilité de ces sources.

On n’ose même pas imaginer l’importance de la révolution énergétique Qui ferait suite à une éventuelle confirmation du Jack-pot:

L’Hydrogène, aujourd’hui vecteur énergétique, deviendrait source d’énergie décarbonées renouvelable( Géoressource verte).

La géopolitique serait bouleversée par une redistribution des centres de production.

Les stratégies de transition énergétique seraient à reconsidérer, les rôles respectifs de l’éolien et du solaire pourraient devenir des seconds rôles.

Cette perspective révolutionnaire est une éventualité à prendre en compte, sans toutefois tomber dans un enthousiasme excessif. Une décennie au moins sera nécessaire pour établir l’intérêt de ce qui n’est aujourd’hui qu’un indice important.

En attendant on pourra toujours fabriquer notre Hydrogène vert avec de l’éolien et du solaire…