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1 Article : 133 Des véhicules hybrides à l’hydrogène ARMANET Aurélien avr.-17 N

1 Article : 133 Des véhicules hybrides à l’hydrogène ARMANET Aurélien avr.-17 Niveau de lecture : Assez difficile Rubrique : Nouvelles technologies Mots clés : hydrogène, transport, véhicule électrique, piles à combustible, batteries Chapeau de l’article Le secteur du transport routier entame lentement sa transition énergétique, l’hydrogène étant probablement voué à être un des piliers de celle-ci. La technologie s'installe progressivement dans notre société mais, malgré une base technique solide, elle n'est pas encore compétitive à grande échelle et peu connue du grand public. Cet article présente la situation actuelle et les enjeux majeurs pour l’avenir. Résumé de l’article en Anglais : Road transportation was responsible for more than 20% of the Green House Gases (GHG) emissions in France in 2013 while there is every day more demand on this market. Thus, there is a need for cleaner vehicles. Hydrogen is considered as a serious candidate to power road vehicles in the future. Mixing it with fossil fuels in piston engines is a solution but the most promising technology seems to be the fuel cell where hydrogen and oxygen from air react to produce electricity and water. Already implemented in some vehicles today, it allows to double the autonomy of some electric cars reaching around 400 km for only a couple kilograms of hydrogen stored. Though, there are still a lot of challenges to be tackled, linked to the production and storage of hydrogen. Indeed, to ensure vehicles are environmentally-friendly, hydrogen has to be produced thanks to decarbonized energies (renewables, nuclear, etc.). Electrolysis is the reverse reaction of the fuel cell (historically it’s the opposite since electrolysis was discovered first), and the main solution foreseen to produce hydrogen with zero GHG emission. The electricity needed is currently produced mostly by fossil fuels but the plan is to use wind or solar power in the future. Besides, researches may lead to the discovery of alternative green solutions. Once produced, hydrogen needs a storage solution adapted to 2 embedded applications, safe and ensuring a reasonable autonomy. The most mature solution for now is to store hydrogen as a gas. Yet, since it is very light, the storage pressure needs to be very high to ensure an acceptable tank volume which raises some security issues. Liquid and solid storage may be more adapted to road vehicles but these technologies are still being studied and developed. One of the pioneers and leaders of fuel cell cars is a company located in Grenoble called Symbio. They offer sustainable mobility solutions that extend the range of electric vehicles, with performances similar to combustion engines. They are backed by research laboratories that provide technical skills, such as firms and public actors who can give funds and subsidies. Sommaire 1. Qu’appelle-t-on un vecteur énergétique ?.................................................................... 3 2. Le vecteur hydrogène pour faire tourner un moteur .................................................... 4 2.1. Une alternative sérieuse aux carburants fossiles ...................................................................... 4 2.2. Utiliser l’hydrogène comme carburant dans un moteur thermique ......................................... 4 2.3. Produire de l’électricité à partir de l’hydrogène: la pile à combustible (PAC) .......................... 5 3. Méthodes de production de l’hydrogène pour un véhicule respectueux de l’environnement ........................................................................................................................ 6 3.1. Vaporeformage du biométhane ................................................................................................ 7 3.2. Gazéification du charbon de bois .............................................................................................. 7 3.3. L’électrolyse ............................................................................................................................... 8 3.4. D’autres procédés verts pour l’avenir ..................................................................................... 11 4. Stocker de l’hydrogène à bord d’un véhicule .............................................................. 11 4.1. La solution actuelle : le stockage sous forme gazeuse ............................................................ 11 4.2. Le stockage d’hydrogène liquide ............................................................................................. 12 4.3. Le stockage sous forme solide ................................................................................................. 12 5. Recharger un véhicule à hydrogène ........................................................................... 13 6. Un exemple concret : Symbio .................................................................................... 13 6.1. Les réalisations de l'entreprise ................................................................................................ 13 6.2. Organisation et gestion de l’innovation .................................................................................. 15 7. Conclusion générale .................................................................................................. 16 3 Le transport routier a permis de repousser les limites de distance pour le développement économique et commercial des entreprises. Pour les citoyens c’est un moyen de déplacement pratique, rapide et confortable qui permet en plus d’être indépendant. Les pays en développement, comme les pays industrialisés avant eux, ont bien compris ses atouts et son importance. Avec l’essor du pétrole au début du XXème siècle, le moteur à explosion s’est imposé comme la solution la plus viable pour le développement industriel de l’automobile. Malheureusement quelques décennies plus tard, cette solution semble ne pas être aussi intéressante qu’à l'origine. En effet, ce type de moteur émet du dioxyde de carbone, l’un des principaux gaz à effet de serre (GES). Et pas dans une moindre mesure puisqu’en 2013, 27,6% des émissions de GES sont imputables au secteur des transports dont 92% pour le transport routier1. Et c’est bien sûr sans parler des particules fines qui sont un réel danger pour la santé. Au vu de son rôle presque indispensable à la société et des investissements en infrastructures qui ont été réalisés, il est impossible de se passer du transport routier. Alors comment améliorer les véhicules pour continuer d’en profiter en réduisant drastiquement leur impact environnemental ? (Lire Les sources d’énergie pour l’automobile du futur : les développements en cours et Les sources d’énergie pour l’automobile du futur : quelles options innovantes l’emporteront ? ) Les moteurs électriques sont une solution à ces problèmes. Néanmoins ils soulèvent la question de la source d’énergie qui les alimentera, et des distances qu'ils permettront de parcourir. Si les batteries semblent être un moyen adapté, il n’est pas idéal sur plusieurs points comme l’autonomie, le prix, la masse à embarquer ou encore les matériaux utilisés. D’autres solutions sont donc envisagées dont l’une des plus prometteuse est celle qui fait appel au vecteur hydrogène2 (Lire L’hydrogène ). 1. Qu’appelle-t-on un vecteur énergétique ? C’est une forme d’énergie facilement transportable d’un point à un autre, utilisable ailleurs qu’en son lieu de production et qui peut éventuellement être stockée3. Ce n’est pas nécessairement une source d’énergie, même si ce peut-être le cas, comme le gaz transportable sous forme gazeuse dans des pipelines ou sous forme de Gaz Naturel Liquéfié (GNL). L'électricité est l'exemple le plus accompli de ce qu'est un vecteur énergétique. Les sources d’énergie nucléaires ou fossiles ne peuvent pas être déplacées facilement et/ou ne sont pas adaptées à l’utilisation finale souhaitée. De l'énergie est donc produite dans une centrale à l’aide de ces sources, que l’on transforme sous forme d’électricité via une génératrice. Cette électricité est facilement transportable par des lignes électriques jusqu’au consommateur final. Elle n’est pas utilisée en tant que telle mais transformée en lumière, en chaleur ou en énergie mécanique (Lire L'électricité : éléments essentiels, génération et transport ). 1 Données du ministère des transports. http://www.developpement-durable.gouv.fr/Transports,34304.html [consulté le 23/12/2016] 2 Notons que l’entité véritablement utilisée dans les applications est le dihydrogène (H2), forme moléculaire stable de l’élément hydrogène (H) dans les conditions normales de température et de pression, en abrégé, CNTP soit une pression de 1 bar et une température de 20°C. Par commodité, le terme hydrogène sera employé par la suite. 3 Cf. « les vecteurs d’énergie ». http://web.archive.org/web/20071130125033/www.academie- technologies.fr/publication/rapports/energieEnvironnement/syntheseEE2004/ann9.pdf [consulté le 23/12/2016] 4 2. Le vecteur hydrogène pour faire tourner un moteur Parmi les différents vecteurs énergétiques, l'hydrogène est l'un des plus intéressants. 2.1. Une alternative sérieuse aux carburants fossiles Pour réussir la transition énergétique, il est nécessaire de trouver des formes d’énergie alternatives aux ressources fossiles (Lire La transition énergétique : un concept à géométrie variable) Fort d’un pouvoir calorifique élevé (environ 142 MJ/kg4), le dihydrogène a été initialement utilisé dans l’industrie spatiale comme combustible. A l’instar d’autres technologies utilisées dans des domaines de pointe, les études et les progrès techniques sur le transport, le stockage et plus généralement l’utilisation de l’hydrogène ont permis de découvrir son potentiel de vecteur énergétique. C’est aujourd’hui le domaine des transports routiers qui, pour en terminer avec l’usage de carburants issus du pétrole et du gaz, commence à utiliser l’hydrogène pour la motorisation. On recense deux technologies principales5, la première étant l’utilisation de l’hydrogène comme combustible dans un moteur à explosion, la seconde étant la pile à combustible (Lire Les piles à combustible). 2.2. Utiliser l’hydrogène comme carburant dans un moteur thermique Cette solution est assez intuitive puisqu’elle consiste simplement à utiliser l’hydrogène comme carburant dans un moteur thermique, à l’instar du gazole ou de l’essence aujourd’hui. Si l’on peut utiliser l’hydrogène seul, l’intérêt principal de cette technologie réside dans le fait qu’elle permettrait de créer des véhicules hybrides hydrogène/essence ou hydrogène/gazole. Même si ce n’est pas une solution désirable à long terme, son utilisation pour aider la transition énergétique dans le domaine des transports, pourrait être envisageable. Quelques véhicules ont été fabriqués avec cette technologie, comme la BMW Hydrogen 7, abandonnée par la marque allemande. L’explication est en partie technique ; l’hydrogène possède une faible énergie d’inflammation ce qui signifie que lorsqu’il est soumis aux températures et pressions élevées dans un cylindre du moteur, il peut s’auto-enflammer. Ainsi, un phénomène de cliquetis6 peut apparaître et détériorer les composants du moteur. De plus, l’acier ne résistant pas aux températures atteintes, une culasse en céramique aurait été nécessaire. Cette option étant trop coûteuse, le choix a été fait de faire uploads/Science et Technologie/art133-armanet-aurelien-hydrogene-vehicule.pdf