Pile à combustible : tout (vraiment tout) ce que vous devez savoir

Pour beaucoup, la pile à combustible pour les voitures hydrogènes est la meilleure solution pour la mobilité du futur. Qu’en est-il vraiment ?

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique ・ Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

couverture batterie © jean charles barbe

Aujourd’hui, le marché de la mobilité « verte » (hum) est dominé par les véhicules électriques à batterie et les véhicules hybrides. Mais la voiture à hydrogène est en embuscade, grâce à la technologie de la pile à combustible.

Avec une présence sur le marché infinitésimale, des prix souvent prohibitifs et un réseau de recharge plus qu’immature, elle réussit quand même à déchaîner les passions.

En effet, il est de bon ton chez les experts du secteur de voir dans l’hydrogène l’avenir de la mobilité.

Problème : je n’aime pas me laisser influencer par les arguments d’autorité.

Je vais donc faire table rase aussi bien des éloges que des critiques qui circulent, pour étudier ce qui se cache vraiment derrière la pile à combustible et l’hydrogène.

L’objectif de cet article est simple : c’est qu’après l’avoir lu, vous connaîtrez tout ce qu’il y a vraiment à connaître sur les piles à combustible. Vous comprendrez leur fonctionnement, vous saurez ce qu’il en est de la production de l’hydrogène et vous aurez un avis précis sur le potentiel des véhicules à hydrogène.

Vous aurez des chiffres précis pour enfin sortir de l’incertitude face à cette technologie. Car il faut se le dire, on entend tout et n’importe quoi à son sujet. Pour preuve, même le président s’y met.

Alors n’attendons pas une seconde de plus, et faisons ce que peu de monde ose faire : un travail scientifique rigoureux.

Les notions de base sur la pile à combustible

Quand on commence à étudier un sujet, il faut toujours commencer par poser les bases. C’est grâce à elles qu’on s’assure d’être tous munis des mêmes armes, d’avoir ensuite de vraies discussions et d’éviter les débats stériles.

Je ne vais donc pas me priver.

Et c’est une bonne chose. Car au même titre que pour les batteries lithium-ion, beaucoup de vérités générales circulent, qui tendent à se contredire les unes avec les autres.

Alors commençons par le commencement.

Voyons ce qui se cache derrière ce terme de « pile à combustible » qui permet aux véhicules à hydrogène de déchaîner les passions.

Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

En 3 mots, la pile à combustible est une solution de conversion électrochimique. Son principe repose sur une réaction d’oxydoréduction entre un combustible (le dihydrogène) et de l’air, ce qui permet de générer un courant électrique.

Ça, c’était en 3 mots.

Mais j’ai bien l’impression que ces 3 mots ne seront pas suffisants pour comprendre tout ce qui se cache derrière cette technologie. Et je ne vais certainement pas m’en satisfaire. Pour cause, je n’ai pas compris la moitié des mots que j’ai utilisés dans le paragraphe précédent.

Essayons donc de clarifier tout ça.

Dans ce magma de mots compliqués, il y un détail qui m’a sauté aux yeux.

C’est que dans la définition « en 3 mots » de la pile à combustible, on retrouve quasiment les mêmes termes que dans la définition des batteries électriques.

En effet :

  • La pile à combustible et la batterie sont des dispositifs électrochimiques,
  • Et elles fonctionnent toutes les deux grâce à une réaction d’oxydoréduction.
pile à combustible et batterie électrique

Autrement dit, si on regarde les mécanismes de base, ces 2 technologies sont des cousines germaines.

Alors profitons-en pour définir ces 2 principes de dispositif électrochimique et de réaction d’oxydoréduction.

Les dispositifs de conversion et de stockage électrochimiques

Le dispositif électrochimique, c’est l’invention humaine qui cherche à corriger le plus grand défaut de l’électricité comme source d’énergie.

Ce défaut est presque impardonnable : les électrons qui composent l’électricité refusent d’être stockés dans un réservoir.

Ils détestent l’immobilité. Ils veulent se défouler constamment à cause de cette charge électrique qui les empêche de se reposer quelques instants. C’est leur malédiction, et ils font comme ils peuvent pour vivre avec.

Quoi qu’il en soit, cette impossibilité pose un gros problème.

C’est qu’on ne peut pas se contenter de faire comme pour l’essence et le gaz, à les entasser sagement dans des contenants. On doit passer par un intermédiaire. Et cet intermédiaire, c’est le dispositif électrochimique.

Son principe repose sur sa capacité à transformer de l’énergie chimique en énergie électrique, et inversement. [1]

Le dispositif électrochimique revient à faire un pont entre la chimie et l’électricité, d’où le terme « électrochimique ». Et il le fait grâce aux électrons, qui sont les acteurs principaux à la fois de l’énergie chimique et de l’énergie électrique.

Je ne vais pas refaire l’histoire des dispositifs électrochimiques.

Mais ce que vous devez savoir, c’est qu’il faut remercier ceux qui ont participé de près ou de loin à leur découverte. Car sans ces dispositifs, on n’aurait jamais pu utiliser l’énergie électrique pour propulser nos voitures.

Conséquence : elles auraient dû rester branchées constamment à une prise électrique.

Difficile de faire plus fastidieux.

Celui qui nous épargne cette situation, c’est l’oxydoréduction. Et si vous vous souvenez bien, ce mot barbare est le deuxième point commun entre les piles à combustibles et les batteries.

La réaction d’oxydoréduction

Comme pour le terme « électrochimique », le terme « oxydoréduction » est un mot-valise transparent : il décrit une réaction conjointe d’oxydation et de réduction.

Si nous étions au lycée, je vous raconterais savamment ce que tout ce charabia signifie.

Par chance, nous n’y sommes pas. Alors nous n’allons pas nous embêter à savoir exactement ce qu’est une oxydoréduction, et ce qui se passe précisément lors de la réaction conjointe d’oxydation et de réduction.

Note : Enfin si, nous allons le voir dans les prochaines parties, mais appliqué à la pile à combustible.

La seule notion qu’il est important de savoir, c’est qu’une réaction d’oxydoréduction est une réaction chimique qui permet de transférer des électrons d’un corps à un autre.

C’est tout.

Dans le cadre de nos piles à combustibles (et de nos batteries), les corps qui s’échangent des électrons sont des électrodes. Et ces électrodes s’échangent des électrons grâce à un câble électrique qui les relie.

Ainsi :

  • Si on branche un moteur à ce câble de connexion,
  • Puis qu’on déclenche une réaction d’oxydoréduction dans la pile à combustible,
  • Alors des électrons transitent d’une électrode à l’autre par le fil électrique,
  • Ils traversent donc le moteur électrique,
  • Et le moteur tourne, sans avoir à se connecter au réseau électrique français.

Voilà pourquoi on parle de dispositif électrochimique.

C’est la réaction chimique d’oxydoréduction qui a permis au moteur d’être alimenté en électricité. On passe donc d’une énergie chimique à une énergie électrique.

Et c’est ici que s’arrête la ressemblance entre la pile à combustible et la batterie.

Pour deux raisons.

La première, c’est que la pile à combustible repose sur une réaction d’oxydoréduction spéciale, qu’on appelle électrolyse inversée. Nous en parlerons un peu plus tard.

La deuxième raison est celle qui m’intéresse dans l’immédiat.

Cette raison, c’est que si la pile à combustible et la batterie sont des dispositifs électrochimiques, elles le sont différemment : la batterie est un dispositif de stockage électrochimique, tandis que la pile à combustible est un dispositif de conversion électrochimique.

La source de cette nuance ?

Le combustible.

C’est quoi le « combustible » ?

Si vous avez atterri sur cet article, vous savez sûrement que le « combustible » en question est l’hydrogène (plus précisément, le dihydrogène).

Ce n’est d’ailleurs pas innocent si on parle aussi de « pile à hydrogène ».

Pour autant, il existe d’autres combustibles que l’hydrogène pour faire fonctionner les piles à combustible. Je pense par exemple au méthanol. Mais aujourd’hui, c’est bien l’hydrogène qui concentre le potentiel de ces piles si spéciales.

Quoi qu’il en soit, c’est le terme « combustible » qui fait toute la différence entre la batterie et la pile à combustible.

Et quelle différence :

  • La batterie a besoin d’être rechargée en électricité pour fonctionner,
  • Alors que la pile à combustible n’a besoin que d’être alimentée en combustible.

Ce qui veut dire qu’une pile à combustible ne peut jamais être déchargée.

Simplement car elle ne stocke aucune énergie.

Elle se contente de convertir l’énergie contenue dans le combustible pour en faire de l’électricité. Et c’est là son génie.

On verra par la suite ce qui permet cette nuance, mais je peux déjà vous dire que c’est une nuance de taille.

Car elle offre à la voiture à hydrogène d’être utilisée comme une voiture thermique. Il lui suffit de passer de temps en temps à la pompe pour faire le plein en « combustible », et elle est repartie. C’est son plus grand intérêt.

Nul besoin d’attendre pendant d’interminables dizaines de minutes que la batterie se recharge.

Car avouons-le : la recharge d’une voiture électrique sur une borne semble interminable en contraste avec la rapidité miraculeuse du passage à la pompe à essence de notre bonne vieille thermique. Ce temps infini est d’ailleurs l’un des arguments forts des opposants aux voitures électriques.

Pour l’instant, j’ai volontairement omis tous les détails techniques et théoriques du fonctionnement de la pile à combustible. Car je préfère toujours commencer doucement pour rentrer petit à petit dans les détails complexes, sans même qu’on s’en rende compte.

Mais la douceur de cette pente ascendante n’a pas été vaine.

Jugez par vous-mêmes, avec ce premier bilan d’étape :

  • Nous savons maintenant que la pile à combustible est une solution de conversion électrochimique,
  • Car elle convertit l’énergie chimique contenue dans un combustible (l’hydrogène) en électricité,
  • Ce qui lui permet d’alimenter des véhicules à hydrogène en carburant avec la même simplicité d’usage que pour les véhicules thermiques.

Ça pose les bases, non ?

Avant d’embrayer sur la suite (un peu plus épaisse, vous verrez), j’aimerais faire un très rapide point sémantique.

Il n’est pas rare qu’on parle de voiture à hydrogène en faisant la confusion entre le moteur à hydrogène et la pile à combustible. Il faut donc qu’on se mette d’accord sur les termes, avant d’entrer plus en détail dans ce qui nous intéresse.

schéma fonctionnement voiture à hydrogène

Comment fonctionne une véhicule à hydrogène ?

Il existe en réalité 2 types de voitures à hydrogène :

  • Celle qui fonctionne grâce à un moteur électrique alimenté en électricité par une pile à combustible, elle-même approvisionnée en hydrogène par un réservoir.
  • Et la voiture propulsée par un moteur à combustion dont le carburant est l’hydrogène.

La différence entre ces deux voitures est assez simple à saisir.

Et quand on évoque les voitures à hydrogène, on évoque essentiellement celles qui appartiennent au premier type.

Le problème, c’est quand on parle de « moteur à hydrogène ». Car ça peut qualifier aussi bien l’alliance d’un moteur électrique avec une pile à combustible qu’un moteur à combustion à l’hydrogène.

C’est pour cette raison que je préfère utiliser le terme « moteur à hydrogène » uniquement pour le moteur à combustion à hydrogène.

Et comme nous allons nous concentrer sur l’autre technologie de voiture (moteur électrique + pile à combustible), je ne vais simplement pas parler une seule fois de moteur à hydrogène jusqu’à la fin de cet article.


Le cadre de l’article étant clair, nous pouvons enchaîner.

Et ici, enchaîner, ça revient à répondre à une seule question : comment ça marche, exactement, une pile à combustible ?

Comment fonctionne la pile à combustible ?

Le fonctionnement d’une pile à combustible est assez simple.

Tout commence par une électrode qu’on alimente en dihydrogène, pendant qu’une autre électrode en vis-à-vis est approvisionnée en dioxygène. Les deux électrodes sont séparées par un électrolyte, qui permet aux ions de passer d’une électrode à l’autre.

S’en suit un mécanisme d’électrolyse inversée, qui consiste à retirer des électrons au dihydrogène pour fournir au moteur l’électricité dont il a besoin pour tourner. C’est dans ce mécanisme que la magie opère, et qu’on arrive à produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau.

Une minute…

On m’avait vendu un fonctionnement « assez simple » (je me suis vendu ça en tout cas).

Et à la lecture des quelques lignes précédentes, j’ai bien l’impression qu’il y a quelques zones d’ombres qu’il s’agirait d’éclaircir :

  • « Electrolyse inversée, ça veut dire quoi ? »
  • « Et puis c’est quoi cette histoire de rejeter de l’eau ? »
  • « D’ailleurs, que devient le dihydrogène quand il arrive dans son électrode ? »
  • « Et le dioxygène ? »

Notre mission est donc toute trouvée.

Répondons à toutes ces questions. Et je veux bien faire le pari qu’après avoir abattu ce travail, le fonctionnement de la pile à combustible n’aura plus de secrets pour vous.

Commençons donc par la première phrase que j’ai énoncée plus haut : « Tout commence par une électrode ».

Deux électrodes alimentées en dihydrogène et en dioxygène

Au risque de vous surprendre, j’ai envie de vous parler de bibliothèques.

Car si les électrodes des batteries ressemblent à des éponges (si vous ne le saviez pas, j’en ai parlé juste ici), les électrodes des piles à combustible s’apparentent beaucoup à des bibliothèques. [2]

Alors voilà.

Pour comprendre le fonctionnement de la pile à combustible, je vous propose de prendre deux bibliothèques et de les placer l’une en face de l’autre, à quelques centimètres.

schéma électrodes pile à combustible

Voilà, comme ça.

On y aperçoit très clairement les tablettes horizontales, sur lesquelles on peut poser les livres. Et on observe aussi les panneaux à l’arrière des deux bibliothèques, que j’ai voulu bien épais. Ils vont devoir être robustes, car on va les solliciter généreusement dans les prochaines lignes.

D’abord avec des boules de pétanque.

C’est peut-être contre-intuitif, mais on n’est pas forcément obligé d’utiliser des bibliothèques pour entasser des livres. On peut aussi s’amuser à faire rouler des boules sur les étagères. C’est un passe-temps comme un autre.

Pour les besoins de cet article, je vais donc faire ça.

schéma molécules pile à combustible

Je sais, les boules de pétanque que vous voyez sur ce schéma sont assez hétérodoxes. Je m’excuse auprès des puristes du domaine, mais je me suis dit que ça serait plus intéressant de prendre des boules spéciales.

Celles que j’ai choisies ont la particularité d’être siamoises.

Elles sont donc constituées de deux boules, de tailles égales. Et elles sont collées l’une à l’autre.

Et puisque j’aime les défis, j’ai bien envie de réduire la taille de mes bibliothèques jusqu’à une échelle moléculaire. De cette manière, les boules de pétanques que je vais faire rouler sur les étagères peuvent être remplacées par des molécules.

Au hasard : le dihydrogène sur la bibliothèque de gauche et le dioxygène sur la bibliothèque de droite.

schéma molécules de dihydrogène et dioxygène

Je vais donc faire rouler des molécules de dihydrogène et de dioxygène sur les étagères.

Mais je ne vais pas m’arrêter là.

Car j’ai une autre idée étonnante : placer un électrolyte entre les bibliothèques.

L’électrolyte pour joindre les deux électrodes

À l’inverse de l’électrolyte liquide des batteries, l’électrolyte de notre pile à combustible est plus souvent solide.

Ici, il va donc s’apparenter à une grosse brique bleue que je pose entre mes bibliothèques.

schéma électrolyte pile à combustible

Pourquoi une brique ?

Simplement car les briques sont poreuses. Elles sont donc constituées de milliers de petites cavités et de tunnels, qui permettent d’enfermer de l’air. De cette manière, elles nous isolent mieux des températures extérieures.

Et c’est cette porosité qui nous intéresse. Mais vous n’êtes pas obligés de me croire sur parole, car je compte bien vous le prouver dans les prochains paragraphes.

Le choix de la couleur bleue de la brique, lui, est beaucoup plus prosaïque : je pense seulement que les briques rouges, c’est surcoté.

Mais vous l’aurez sans doute remarqué, je n’ai pas ajouté qu’une brique électrolytique.

J’ai aussi intégré deux pavés gris, de part et d’autre de l’électrolyte. Ces pavés gris ont un rôle diablement important, comme vous le verrez bientôt.

Le seul élément que nous devons pour l’instant savoir à leur propos est simple : ils sont eux aussi poreux. Assez poreux en tout cas pour laisser passer des molécules de dihydrogène et de dioxygène.

Vous me voyez venir ?

Si c’est le cas, bravo.

Sinon, branchez un moteur aux bibliothèques. Vous risquez d’être surpris.

Pile à combustible + Dihydrogène + Dioxygène = Moteur qui tourne

Voilà ce que vous allez observer :

schéma fonctionnement pile à combustible

Oui, vous ne rêvez pas, le moteur tourne.

L’électrolyse inversée s’est produite !

Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si j’ai écrit le mot « moteur » avec une taille de police 10 fois supérieure à tous les autres textes de ce dessin. Car c’est la première chose que je veux que vous voyiez.

Mais maintenant, j’aimerais qu’on essaie de comprendre ce qui s’est passé là-dedans.

C’est sympa de vérifier que le moteur tourne, mais ça ne suffit pas pour comprendre le fonctionnement des piles à combustibles. Alors même que c’est ce que je recherche dans cette partie de l’article.

Le temps est donc venu de vous munir de votre plus belle loupe et d’observer avec moi le mécanisme d’électrolyse inversée. Ce même mécanisme qui a permis à notre moteur électrique d’entrer en branle.

Ça se passe en 5 étapes qui se lisent de gauche à droite et de haut en bas (sur l’image précédente) :

(1) D’abord, les molécules de dihydrogène (en gris) et les molécules de dioxygène (en rouge) se sentent irrésistiblement attirées par l’électrolyte.

Alors elles se laissent séduire, et pénètrent dans le bloc gris.

fonctionnement électrolyse inversée

(2) Ensuite, à l’interface entre le bloc gris et l’électrolyte, c’est au tour des électrons contenus dans le dihydrogène d’être tentés par de nouveaux cieux.

Déterminés, ils se séparent de leurs molécules de dihydrogène et rejoignent le fil électrique. Les atomes d’hydrogène, dépossédés d’un électron, deviennent des ions H+.

ions H+ pile à hydrogène

(3) Pendant ce temps, les molécules de dioxygène se rendent à l’interface de l’électrolyte.

Là, quatre électrons qui accourent depuis le câble électrique les assaillent. N’ayant pas le choix, les atomes d’oxygène se les partagent. Deux électrons chacun, ils deviennent des ions O2-.

ion O2- pile à hydrogène

(4) Inconfortables, les ions H+ décident de traverser l’électrolyte. Un nouveau monde semble les attendre de l’autre côté.

H2O pile à hydrogène

(5) La nouvelle situation des ions O2- les incommode.

Mais ils voient approcher les ions H+, pas plus satisfaits de leur condition. Ils leur proposent un marché : « Rassemblons-nous, et nous formerons des molécules d’eau H2O, tout ce qu’il y a de plus stable ! ».

eau voiture à hydrogène

Et c’est ainsi que le dihydrogène et le dioxygène se rencontrent pour produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau, créant la réaction d’hydrolyse inversée.

Il suffit alors d’alimenter la pile avec un flux constant de dihydrogène et de dioxygène pour alimenter notre moteur électrique.

Quel bonheur. Et quelle élégance, n’est-ce pas ?

Oui, sans aucun doute.

Mais ce récit auquel nous venons de participer est une version simplifiée de la réalité. Il est donc encore un peu tôt pour s’émerveiller de cette solution miracle. Par exemple, on ne sait toujours pas à quoi correspondent les blocs gris.

Alors contenons notre enthousiasme, et continuons notre périple.

Sans eux, rien ne se passerait : la GDL et le catalyseur

Je vous ai menti.

Quand j’ai annoncé que les électrodes de la pile à combustible étaient des bibliothèques, je ne disais pas la vérité. Ces bibliothèques sont en réalité ce qu’on appelle des « plaques bipolaires ».

Leur rôle est primordial, puisque ce sont elles qui collectent le courant généré par la pile et qui diffusent le dihydrogène et le dioxygène. [3] Mais il n’empêche, les plaques bipolaires ne sont pas les électrodes de la pile à combustible.

Où se trouvent-elles alors ?

Dans les blocs gris. Ces mêmes blocs dont j’ai préféré taire le rôle pour ne pas complexifier notre compréhension.

Et ma trahison ne s’est pas arrêtée là.

Car vous l’avez lu dans le titre de cette partie, j’ai omis l’existence non pas d’un composant, mais de deux : les mystérieux GDL et les catalyseurs. Sans plus de tergiversation, je me dois donc de vous en dire plus à leur propos.

Pour ça, rien de mieux qu’une image.

GDL et catalyseurs pile à combustible

Sur cette image, nous voyons bien les blocs gris (à ne pas confondre avec les bibliothèques, entendons-nous bien). Ce sont les électrodes.

Et ces blocs gris sont composés de deux couches :

  • Une épaisse couche GDL (pour « Gas Diffusion Layer »)

Cette couche remplit un rôle très simple et hautement nécessaire : elle permet au dihydrogène et au dioxygène de migrer depuis les couloirs des plaques bipolaires vers le centre de la pile.

C’est tout.

  • Et une couche plus fine de catalyseur, à la lisière entre le bloc gris (la GDL donc) et l’électrolyte

Son rôle est lui aussi essentiel : c’est lui qui permet de casser les molécules de dihydrogène (pour former deux ions H+) et de dioxygène (pour former deux ions O2-).

Maintenant, je vous ai tout dit.

On pourrait évidemment aller beaucoup plus en détail pour comprendre toujours plus finement le mécanisme qui se cache derrière la pile à combustible. Mais la bibliographie ne manque pas à ce sujet et ce n’est pas ma vocation.

Ma vocation, c’est plutôt de savoir tout (vraiment tout) ce qu’il y a à savoir sur les piles à combustibles à l’usage des véhicules électriques (ou à hydrogène – c’est tout comme, puisque la pile à combustible alimente un moteur électrique).

Et à moins de vouloir produire une thèse sur le sujet, nous n’avons pas besoin de savoir exactement comment diable les ions H+ migrent dans l’électrolyte.

Que reste-t-il à savoir alors ?

La pratique.

Car pour le moment, nous n’avons vu que la théorie derrière la pile à combustible.

Et nous savons très bien qu’entre la théorie et la pratique, il y a un monde. La suite est donc toute trouvée : nous allons voir à quoi ressemblent les piles à combustibles dans la vraie vie, en dehors des manuels de chimie.

Les piles à combustible, dans la vraie vie

Pour que la technologie de pile à combustible se démocratise, il faut qu’elle soit industrialisée.

Il semblerait que ça soit bien enclenché, comme vous le verrez dans la suite de cet article. Mais quoi qu’il en soit, industrialiser la pile à combustible revient à transformer le mécanisme théorique que nous avons vu plus haut en un système simple à produire.

C’est donc ce que nous allons voir.

Pour passer d’une idée à un objet, il faut valider plusieurs étapes.

La première, c’est d’être bien sûr qu’on a bien compris ce qu’il y avait à faire. Pour le moment, vous pensez que son fonctionnement à peu près clair.

Mais il faut se méfier de la pile à combustible qui dort. Et elle va nous le prouver immédiatement.

SOFC, MCFC, AFC, PAFC, PEMFC et DAFC

Ce titre est d’une opacité inégalable.

Mais si je vous dis que :

  • L’acronyme SOFC signifie « Solide Oxide Fuel Cell » ;
  • MCFC décrit la « Molten Carbonate Fuel Cell » ;
  • AFC révèle les termes « Alkaline Fuel Cell » ;
  • PAFC signale la « Phosphoric Acide Fuel Cell » ;
  • PEMFC est l’acronyme de « Proton Exchange Membrane Fuel Cell » ;
  • Et DAFC est celui de « Direct Alcohol Fuel Cell ».

Vous voyez où je veux en venir ?

Chacun de ces 6 acronymes est une technologie de pile à combustible. Et chacune de ces technologies présente ses avantages et ses inconvénients.

Nous n’allons évidemment pas perdre le temps de décrire le mécanisme derrière chacune de ces piles à combustibles. Mais on se rend bien compte que si on veut industrialiser une pile à combustible et la monter sur une voiture, il va bien falloir choisir parmi ces 6 technologies.

Comment faire ?

Il suffit de comparer leurs caractéristiques techniques, telles que la température d’utilisation, la puissance délivrée, le rendement ou la durée de vie. Là non plus, je ne vais pas le faire. Pour une raison très simple : les informations fiables ne sont pas monnaie courante sur ce sujet.

La seule information dont je suis sûr, c’est que les technologies MCFC, SOFC et PAFC semblent disqualifiées par leur température de fonctionnement (respectivement 650°C, 1000°C et 220°C).

Et l’autre information, c’est que la technologie PEMFC semble aujourd’hui mener la course.

Pour cause, c’est aussi elle qui garantit la meilleure durée de vie.

Ça tombe assez bien. Car ce que je ne vous ai pas dit, c’est que la pile à combustible que nous avons dessinée depuis le début était une PEMFC. Alors oui, la technologie DAFC semble elle aussi prometteuse. Mais que voulez-vous, il faut bien se spécialiser à un moment.

Que reste-t-il à faire ensuite ?

Trouver les matériaux, évidemment.

Les matériaux des différents composants des piles à combustible

Récapitulons.

La pile à combustible PEMFC que nous avons étudiée jusqu’à présent est constituée de plusieurs composants :

  • Les plaques bipolaires,
  • Les GDL,
  • Les catalyseurs,
  • Et l’électrolyte.

La suite logique, c’est de connaître les matériaux utilisés pour chaque composant.

Les plaques bipolaires

Comme leur rôle est multiple (distribuer le dihydrogène et le dioxygène puis collecter les électrons), elles répondent à de nombreux enjeux.

Il y a évidemment l’exigence de conductivité électrique, mais aussi la conductivité thermique et l’imperméabilité au gaz. On veut aussi un matériau qui soit léger, solide, peu cher et avec une usinabilité raisonnable pour creuser les rainures (souvenez-vous des bibliothèques).

Les matériaux candidats pour ce rôle sont nombreux. Mais dans l’ensemble, c’est le graphite qui remporte la mise. [4]

On trouve aussi des plaques bipolaires en métal (aluminium, acier inoxydable, titane ou nickel) et en composite (avec des mélanges de polymères, de graphite et de métal). [5]

Mais rien de très répandu pour le moment.

Les couches de diffusion des gaz (GDL)

Elles aussi sont composées de carbone.

À la différence que ce carbone est sous forme de fibres de carbone tissées. La conception des GDL représente un tel enjeu qu’elles sont le terrain de nombreuses recherches, pour trouver le meilleur matériau possible. [6]

Mais à notre niveau de complexité, se souvenir que c’est un tissu de fibres de carbone est largement suffisant.

Le catalyseur

Sans lui, pas de réaction.

Alors il ne faut pas rire avec le matériau qui le compose (même si on peut dire la même chose avec tous les composants de la pile à combustible).

Quoi qu’il en soit, il semblerait que le matériau le plus utilisé soit le platine (en très petites quantités), adossé à du graphite. [7]

L’électrolyte

Si je vous disais qu’il existe autant d’électrolyte à l’usage des PEMFC que d’habitants sur Terre, vous me croiriez ?

Non, et vous auriez raison.

Mais quand même, vous n’imaginez pas les migraines que je me suis provoqué à comprendre la pluie de mots barbares que j’ai dû avaler.

Mais d’après ce que j’ai compris, l’électrolyte se présente le plus souvent sous la forme d’une membrane perfluorée. [8] Cette dernière est (apparemment) un type de membrane sulfonée.

Rassurez-vous : moi non plus, je n’avais jamais entendu ces mots auparavant.

En français païen, ça veut dire que l’électrolyte est élaboré à partir d’une grille de très longues molécules (qu’on appelle « squelette perfluoré »). Et le transit des ions H+ est permis par un mécanisme de transfert d’atomes d’hydrogène au bout de ces molécules.

Et voilà.

Comme moi, vous n’avez sans doute pas compris toutes les subtilités qui se cachent derrière les choix de tous ces matériaux. Mais comme moi, vous savez maintenant de quoi sont composées les piles à combustibles : vous connaissez les différentes couches, et leurs compositions.

Et puisque je ne suis pas avare en dessin, je vais tâcher de résumer tout ça avec mon fidèle Powerpoint :

schéma couches et matériaux pile à combustible

Mais ce n’est pas fini !

Car pour le moment, nous n’avons fait que zoomer. Il va falloir dézoomer un peu pour savoir à quoi ressemblent vraiment les piles à combustible.

À quoi ressemble la pile à combustible des voitures à hydrogène ?

En effet, nous n’avons vu aucune pile à combustible en chair et en os dans cet article.

Il est certainement pratique de connaître le nom de la technologie (PEMFC), le nom des différentes couches qui constituent les piles à combustibles et les matériaux qui composent chacune de ces couches.

Mais si on ne sait pas à quoi les piles à combustibles ressemblent dans la vraie vie, on peut difficilement se targuer d’avoir un avis intéressant sur la pertinence de ces dernières.

Ce que je veux dire, c’est qu’il ne vous viendrait jamais à l’idée de confier votre opération de la hanche à un chirurgien qui n’a jamais vu une seule hanche de sa vie.

Alors corrigeons ce dernier détail et passons à la suite.

Car il y a de quoi discuter après ça.

stack pile à combustible

Voilà donc à quoi les piles à combustibles ressemblent. [9]

Elles ne sont constituées que de 2 grosses plaques qui compressent un empilement de couches que nous connaissons bien maintenant. Et ces plaques sont maintenues entre elles par de belles et longues vis.

Aussi simplement que ça.

Plus on multiplie les couches, plus on produit de l’électricité.

Ce dessin représente ce qu’on appelle un « stack » de pile à combustible. Littéralement, un empilement. Et force est de constater que ça porte bien son nom.

Il reste alors à habiller ce plat de lasagnes pour le rendre plus esthétique.

Les meilleurs à ce jeu là, ce sont les ingénieurs de Toyota. Par exemple, voici la pile à combustible qu’ils ont sortie en février 2021 :

pile à combustible toyota

Voilà qui conclut la première partie de cet article.

L’idée de cette première partie était d’enfiler la blouse de chimiste afin de comprendre le mécanisme qui fait fonctionner les piles à combustibles. Il me semble que c’est ce que nous avons fait, non ?

Mais la suite n’est pas moins importante.

Car si la chimie est primordiale, elle ne répond pas à toutes les questions.

Par exemple, je suis un mécano. Et quand je vois les schémas que j’ai dessinés plus haut, je me dis qu’ils sont très sympathiques. Mais je me demande comment on fabrique l’hydrogène qui alimente les piles à combustibles.

Je suis comme ça, terre à terre et poil à gratter.

D’ailleurs, en parlant de poil à gratter, je me demande aussi ce qu’il en est du stockage de cet hydrogène dans les véhicules.

Et puisqu’on y est, qu’en est-il de l’impact environnemental des véhicules à hydrogène ? Et de leur prix ?

Autant de questions que nous allons traiter dans la deuxième partie de cet article.

Si bien qu’à la fin, il est probable que les réponses que nous trouverons nous permettront de répondre à la question (bien plus large) de la pertinence des véhicules à hydrogène.

Mais chaque chose vient en son temps. Chi va piano va sano. Alors allons piano !

La pile à combustible dans les voitures (et motos) à hydrogène

Jusqu’à présent, nous n’avons parlé que de pile à combustible.

C’était très bien. Mais je ne fais pas partie de ceux qui s’extasient devant les miracles technologiques. Moi, ce qui m’intéresse, c’est quand la technologie a un impact miraculeux.

Je vais donc devoir dézoomer.

Car la pile en combustible en elle-même ne m’intéresse pas. Ce qui m’intéresse, c’est la pile à combustible dans les véhicules à hydrogène. Pour savoir si oui ou non, les voitures à hydrogène sont une solution viable.

Si on fait un pas en arrière, voilà ce qu’on voit :

voiture hydrogène pile à combustible
  • La pile à combustible transforme de l’hydrogène et de l’oxygène en électricité pour faire tourner un moteur électrique.
  • L’oxygène, c’est facile à trouver, vous en avez partout autour de vous.
  • Mais il faut bien stocker cet hydrogène quelque part dans le véhicule.
  • Et il faut aussi fabriquer cet hydrogène quelque part.

La première étape de notre zoom arrière est donc toute trouvée : je vais tâcher de comprendre comment on fait pour fabriquer et stocker l’hydrogène.

Sans la fabrication et le stockage de l’hydrogène, pas de voiture à hydrogène.

Donc prenons les choses dans l’ordre, et commençons donc par la fabrication de l’hydrogène. D’autant que c’est un gros morceau.

La production de l’hydrogène, ce drôle de sac de nœuds

Je tiens d’ores et déjà préciser un détail.

C’est que dans cette partie, je vais traiter d’un sujet singulièrement complexe. Et mon métier, vous l’aurez noté en lisant l’URL de ce site, ce n’est pas de produire de l’hydrogène.

L’objectif est donc de se faire un avis éclairé, sans pour autant rédiger une thèse de doctorat.

Les termes du contrat étant posés, passons au concret. Comment fabrique-t-on l’hydrogène des voitures à hydrogène ?

La réponse courte : majoritairement à partir de carburants fossiles.

Et la réponse rigoureuse : [10]

  • Il y a les procédés thermochimiques (vaporeformage, gazéification du charbon, gazéification de la biomasse et vaporeformage du bioéthanol).
  • Il y a aussi les procédés d’électrolyse (à membrane échangeuse de protons et à oxyde solide).
  • Et il y a enfin les procédés biologiques (par fermentation).

Aujourd’hui, ce sont les procédés thermochimiques qui sont les plus utilisés pour former de l’hydrogène.

Il est donc bon de toucher deux mots sur leur principe de fonctionnement.

On compte parmi eux le vaporeformage, qui est la méthode de production la plus largement mise en œuvre. Elle consiste à faire réagir du gaz naturel (ou des dérivés du charbon) avec de l’eau, pour produire du dihydrogène.

Parmi les procédés thermochimiques, il y a aussi la gazéification du charbon. Cette méthode consiste à faire réagir du charbon avec de l’oxygène pour obtenir du dihydrogène.

On trouve aussi la gazéification de biomasse, pour laquelle on doit porter des biocarburants à des températures élevées afin de récolter du dihydrogène.

Enfin, le vaporeformage du bioéthanol est un vaporeformage comme décrit au-dessus, à partir de bioéthanol.

Le problème des procédés thermochimiques, c’est que le vaporeformage est largement majoritaire. Et ce vaporeformage produit de l’hydrogène à partir de carburants fossiles.

Si bien qu’en 2019, 98% de la production mondiale d’hydrogène en 2019 était issue de combustibles fossiles (charbon et gaz naturel). [11] C’est un comble quand on sait que l’objectif des véhicules électriques est de réduire notre dépendance aux ressources fossiles.

Mais ce n’est pas tout.

Car non contents d’exiger l’extraction de charbon et de gaz naturel, la production actuelle d’hydrogène est extrêmement émettrice de CO2. Pour cause : pour chaque molécule de dihydrogène produite par vaporeformage, une molécule de dioxyde de carbone est rejetée.

Drôle d’ironie.

Heureusement, on peut compter sur les procédés d’électrolyse. Et à moindre mesure sur les procédés biologiques (car aujourd’hui assez peu matures industriellement). [12]

L’électrolyse repose sur un principe très simple, puisqu’elle n’est rien d’autre qu’une pile à combustible inversée. Ainsi, il suffit d’apporter de l’électricité et de l’eau pour produire du dihydrogène et du dioxygène.

Mais ce qu’on peut dire dès à présent, c’est que la production actuelle du dihydrogène est un non-sens :

  • Elle vise à électrifier les véhicules pour nous sortir de la dépendance aux combustibles fossiles et réduire notre empreinte climatique ;
  • Alors qu’en même temps, elle s’appuie sur les combustibles fossiles et rejette du CO2.

Voilà donc une première épine dans le pied de la pile à combustible en tant que solution technologique pour nos véhicules électriques.

Brusque retour sur Terre.

Et ce n’est pas fini.

Car après avoir fabriqué le dihydrogène, il faut bien le stocker dans le réservoir de la voiture. Et là aussi, ce n’est pas une mince affaire.

Le stockage du dihydrogène

C’est une affaire si sérieuse que de l’aveu des auteurs de cet article [13], le challenge principal des véhicules à pile à combustible est dans le développement d’une solution efficace de stockage de l’hydrogène.

D’après eux, les défis sont nombreux :

  • Il faut arriver à stocker de grands volumes d’hydrogène,
  • Tout en gardant le temps de rechargement aussi court que possible,
  • Et garantir la sécurité des usagers,
  • Ainsi que la fiabilité du système.

Autant dire que c’est un beau challenge.

Pour le moment, trois solutions semblent se dessiner face au challenge du stockage de l’hydrogène : le gaz comprimé, le liquide cryogénique et le métal hybride. [14]

Pour le moment, c’est la solution de compression du dihydrogène qui est la plus plébiscitée. Ça s’explique grâce à sa simplicité technique, sa fiabilité, son efficacité énergétique et son prix raisonnable (toujours d’après ce même article).

Parmi les différentes solutions de compression du dihydrogène, c’est le stockage de l’hydrogène à 700 bars (700 fois la pression atmosphérique) qu’on trouve sur tous les véhicules à hydrogène.

C’est en effet la solution qui a été choisie pour équiper la Hyundai Nexo, la Toyota Mirai, la Kangoo Z.E. Hydrogen, la Master Z.E. Hydrogen, la Honda Clarity Fuel Cell et la Mercedes GLC F-Cell.

Mais cette solution de stockage présente des défauts.

Le plus évident, c’est sa capacité volumétrique de stockage trop faible pour équiper les véhicules à hydrogène sans prendre une place trop conséquente. Et on sait que pour équiper une voiture (et encore plus s’il s’agit d’une moto), il faut absolument que le réservoir ne soit pas trop volumineux.

Il y a aussi le rechargement de l’hydrogène à très haute pression. Il peut augmenter la température dans le réservoir, dégradant la capacité de stockage et mettant en danger l’usager. Pas besoin d’un dessin, on comprend bien que c’est un problème rédhibitoire.

Le dernier défaut, et pas des moindres, concerne l’infrastructure de recharge.

Cette infrastructure est diablement chère à mettre en place, puisqu’on doit stocker l’hydrogène à très haute pression dans les stations de recharge. Ce qui coûte évidemment un rein, car pour que l’hydrogène ait une chance, il nécessite un maillage dense du territoire en stations de recharge.

Si bien qu’à la fin, on voit très distinctement que le stockage de l’hydrogène est un point dur aussi sérieux que la fabrication de l’hydrogène.

Des recherches sont évidemment en cours pour répondre à ces difficultés.

Je pense par exemple à cette pâte à hydrogène qui a agité les passionnés pendant quelques jours.

Mais force est de constater que le gaz comprimé est aujourd’hui la seule solution qu’on sache produire industriellement. Et cette solution est encore trop imparfaite pour croire que les véhicules à hydrogène se répandent dès demain sur le marché de la mobilité électrique.

Cela étant, on ne sait pas ce qui nous attend dans les prochaines années.

Il paraît donc nécessaire de creuser toutes les autres questions. Ne serait-ce que pour savoir si les véhicules à hydrogène pourront prétendre à une hégémonie lorsqu’elles auront gommé les deux points durs que nous venons d’identifier.

Comparons les véhicules à hydrogène avec aux véhicules à batterie

Je vois 3 points saillants à vérifier pour observer le potentiel des véhicules à hydrogène :

  • Le rendement énergétique (car l’énergie est notre avenir, économisons-la) ;
  • L’impact environnemental (car la planète vous remerciera) ;
  • Et le coût (car un sou est un sou).

Et comme le match se joue avec les véhicules à batterie, ces derniers seront mon mètre étalon.

Note : nous allons comparer les véhicules à hydrogène avec les véhicules à batterie, et non pas les piles à combustible avec les batteries.

La raison est simple : c’est le bilan global qui nous intéresse.

Et manque de chance, la présence d’une batterie ou d’une pile à combustible a une influence sur le fonctionnement global des véhicules. Pour s’en convaincre, il suffit de se rappeler le casse-tête du stockage et de la fabrication de l’hydrogène.

Le rendement des véhicules à hydrogène : pas si simple

Ici, je vais commencer par une découverte douloureuse.

Le chiffre sur lequel beaucoup d’experts se basent n’est pas aussi fiable que ce qu’ils croient. En effet, l’Ademe a publié un rapport en 2019 [15] sur le potentiel industriel de l’hydrogène.

Dans ce rapport, ils donnent un chiffre que tout le monde a repris depuis : le rendement « du puits à la roue » des véhicules à pile à combustible est d’environ 30%, contre environ 70% pour les véhicules électriques à batterie.

C’est-à-dire que si on compare toute la chaîne d’approvisionnement énergétique de ces deux types de véhicules, les pertes du véhicule à hydrogène sont 2,33 fois supérieures à celles du véhicule à batterie.

Victoire écrasante !

Sauf que ces chiffres viennent d’un autre rapport [16] qui les a lui-même tirés d’une source extérieure.

Et ô douleur, cette source extérieure est un magazine économique : le numéro 2319 du magazine Investir, paru le 16 juin 2018. Ou peut-être du 28 avril 2018. Seraient-ils allés jusqu’à se tromper sur la date de parution de leur source ?

Quoi qu’il en soit, un chiffre sur lequel la France entière se base a été tiré d’un magazine.

On peut dès lors douter de la fiabilité d’une telle information. Surtout quand on se rappelle à quel point la chaîne d’approvisionnement énergétique des véhicules à hydrogène est complexe :

  • Il faut produire de l’électricité (et jusqu’à preuve du contraire, les solutions de production électrique sont nombreuses) ;
  • Pour ensuite produire l’hydrogène (là aussi, les solutions sont nombreuses et elles affichent des rendements différents) ;
  • Puis distribuer l’hydrogène du lieu de fabrication aux stations de recharge ;
  • Sans oublier de le comprimer ;
  • Vient ensuite le passage de la pompe au réservoir sous haute pression ;
  • Puis la conversion de l’hydrogène en électricité grâce à la pile à combustible ;
  • Pour alimenter enfin le moteur, qui va faire tourner les roues.
parcours énergétique du puits à la roue de l'hydrogène

Il apparaît donc assez peu plausible de donner une estimation aussi tranchée du rendement énergétique global des véhicules à hydrogène.

D’autant qu’avec les progrès technologiques, les chiffres peuvent changer du jour au lendemain.

La solution est alors de mettre de côté notre envie d’une réponse gravée dans le marbre, pour nous tourner vers une réponse plus nuancée.

Et pour plus de nuance, la meilleure solution est de multiplier les sources. Alors voilà :

  • Selon cette étude [17], les véhicules à hydrogène consomment 3,5 fois plus d’électricité que les véhicules à batterie pour parcourir un kilomètre (mesurée en 2015, en Corée) ;
  • Selon cette autre étude [18] qui date de 2011, le rendement énergétique du puits à la roue des véhicules à hydrogène peut atteindre 56,7% (selon l’hypothèse d’une pénétration du marché de 15%) ;
  • Il y a aussi ce rapport plus récent [19], qui évalue l’efficacité énergétique globale des véhicules à hydrogène à 33% avec une électricité 100% renouvelable, contre 77% pour les véhicules à batterie avec la même électricité ;
  • Enfin, il y a cette étude très complète [20] qui compare les résultats pour divers scénarios, avec diverses sources d’électricité (par exemple, avec une électricité nucléaire, les véhicules à batterie peuvent espérer une efficacité énergétique globale de 31% contre 23% pour les véhicules à pile à combustible).

Facile, non ?

Le rendement, deuxième partie : ce n’est vraiment pas si simple

SI vous trouvez qu’il est difficile de se faire un avis définitif après avoir lu les chiffres que je viens de donner, vous allez être servis.

Car ces chiffres sont injustes.

Ils ne donnent en aucun cas l’efficacité énergétique globale.

Pour cause : ils ne prennent nulle part en compte la production des véhicules. Alors même qu’on imagine bien que sur ce point, la technologie de stockage ou de conversion de l’énergie a un fort impact.

Heureusement, certains se sont donné le mal d’intégrer la production des véhicules dans leur analyse de rendement énergétique global.

Il y a par exemple cette étude. [21]

Ils ont estimé l’efficacité énergétique sur une durée de vie de 15 ans, avec un taux d’occupation de 1,6 personnes (ils se sont basés sur un usage japonais) pour les 4 principales technologies de voitures : thermiques, à batterie, hybrides et à pile à combustible.

Mais leurs résultats me laissent perplexe, et je comprends assez mal leur calcul. 

Face à cette difficulté évidente, j’ai failli abandonner l’idée de trouver un chiffre fiable et sérieux sur le rendement énergétique global des véhicules à hydrogène.

Jusqu’à ce que LinkedIn me vienne à l’aide, par l’intermédiaire d’une conversation dans les commentaires d’une de mes publications.

Dans cette conversation, un rapport extrêmement dense [22] était cité. Il donnait une estimation de la demande d’énergie cumulée de voitures, selon leur technologie de propulsion et de stockage de l’énergie.

Miracle :

efficacité énergétique des véhicules sur leur durée de vie

On y observe que la voiture à batterie (BEV) est 27% plus économe sur toute sa durée de vie que la voiture à hydrogène (FCEV). Et à l’inverse de l’article cité juste avant, le calcul me semble cette fois beaucoup plus solide et compréhensible.

Il semblerait que cette différence ne soit pas comblée dans les prochaines décennies.

Pour autant, on constate aussi que les véhicules à hydrogène présentent une meilleure efficacité énergétique globale que les véhicules à essence (ICEVG). Ce qui prouve que les véhicules à hydrogène gardent quelques avantages sur certains véhicules thermiques.

Mais pour le moment, les véhicules à batterie mènent 1-0.

Qu’en sera-t-il après le deuxième round ?

Quel impact environnemental ?

Chaque action, aussi petite soit-elle, a une influence sur son environnement.

Il est donc parfaitement illusoire d’espérer réduire à 0 l’impact de l’humanité sur son environnement.

Notre objectif doit alors être d’avoir un impact aussi mesuré que possible sur notre planète et sur ses habitants. Le problème, c’est que les impacts sont multiformes.

Ils peuvent se mesurer en termes de participation au changement climatique, en termes de toxicité humaine ou en termes d’appauvrissement des ressources naturelles.

Estimer l’impact d’une action est donc un beau défi.

Et justement, une méthode normalisée a été créée pour répondre à ce défi : l’analyse de cycle de vie. Ce qu’on lui demande : mesurer l’intégralité des impacts environnementaux d’un objet ou d’une action, sur leur entière durée de vie.

C’est exactement ce dont j’ai besoin. Car j’aimerais savoir si les véhicules à pile à combustible présentent un avantage environnemental sur les véhicules à batterie.

Et la réponse que j’ai trouvée dans le rapport que j’ai mentionné (le rapport « extrêmement dense », rappelez-vous) juste au-dessus est nuancée.

Mais c’est bien.

Car ça montre qu’aucune solution n’est parfaite. Et l’hydrogène autant que les batteries ne font pas exception.

En détails, voilà ce que ça donne:

  • Concernant les émissions de gaz à effet de serre, les véhicules à batterie sont significativement plus performants que les véhicules à hydrogène ;
  • Ce qui est aussi le cas en termes du potentiel de formation photochimique de l’ozone, qui peut être dangereux pour la santé humaine et les écosystèmes ;
  • En revanche, les véhicules à hydrogène consomment beaucoup moins d’eau que les véhicules à batterie ;
  • Et ils sont beaucoup moins coupables d’émissions de particules fines ;
  • Ils sont aussi moins gourmands en minerais et métaux ;
  • Et affichent un potentiel de toxicité humaine moindre.

Autrement dit, les véhicules à batterie devancent les véhicules à hydrogène sur le changement climatique et la formation d’ozone. Tandis que ces derniers remportent la palme sur tous les autres critères (eau, particules fines, minerais/métaux, toxicité humaine).

Avant de tirer de plus amples conclusions, j’aimerais nuancer ces résultats.

En effet, ils sont obtenus a posteriori, en s’appuyant sur divers scénarios. Et selon les scénarios, les rapports de force peuvent changer, comme cette étude l’illustre [23].

Ce qui veut dire que, à nouveau, on ne pourra pas se faire un avis définitif sur le sujet.

Mais je vois une tendance se démarquer : c’est qu’a priori, les véhicules à batterie sont globalement moins intéressants en termes d’impact environnemental que les véhicules à hydrogène.

Excepté en un endroit, extrêmement critique.

Cet endroit, c’est les émissions de gaz à effet de serre. Et donc la participation au changement climatique.

Dans l’écrasante majorité des scénarios étudiés, les véhicules à batterie devancent les véhicules à hydrogène. Et justement, c’est à cet endroit qu’on demande aux véhicules de demain d’être performants en premier. Car l’urgence est dans la réduction drastique de nos émissions de gaz à effet de serre.

Ce résultat ne nous facilite donc pas la tâche.

Ça aurait été bien plus simple si les véhicules à hydrogène étaient en tous points supérieurs. Ou peut-être pas en tous points, mais s’ils avaient eu le bon goût d’être supérieurs en termes de gaz à effet de serre, leur victoire aurait été évidente.

Le coupable : la fabrication de l’hydrogène, qui ne saura pas se passer des combustibles fossiles de sitôt.

On sait donc ce qu’il reste à faire.

Je suis par conséquent dans l’incapacité de donner un point à l’un ou à l’autre. On en reste donc au score de 1-0 pour les véhicules à batterie.

Ce qui nous amène au dernier round.

Quel est le prix à payer ?

Quand on s’intéresse au coût d’un moyen de mobilité, on doit l’appréhender avec deux points de vue :

  • d’abord celui de l’usager,
  • ensuite celui de la société.

Le prix à payer par l’usager est assez difficile à calculer.

Il exige d’étudier ce qu’on appelle le « Total Cost of Ownership » (coût total de propriété). Et pour ça, la seule méthode est d’énumérer toutes les dépenses liées à la propriété du véhicule, pour établir à la fin un prix au kilomètre.

C’est fastidieux : il faut estimer des informations assez difficiles à trouver comme la durée de vie du véhicule, les coûts cachés de maintenance.

Et c’est d’autant plus fastidieux quand on veut comparer deux véhicules.

Or c’est notre cas ici.

La seule issue, ça serait de trouver deux véhicules qui auraient un prix comparable pour des performances à peu près équivalentes.

Par chance, ces deux véhicules existent :

  • La Tesla Model S (85 000 €, 628 km d’autonomie) qui fonctionne grâce à une batterie de 95 kWh (soit une consommation de 0,151 kWh/km),
  • Et la Toyota Mirai (75 000 €, 550 km d’autonomie) qui est la voiture à hydrogène de référence, avec son réservoir d’une capacité de 5,6 kg d’hydrogène (soit une consommation de 10,182 gH2/km).

Note : elles ne sont pas si équivalentes que ça, car la Mirai comble le 0 à 100 km/h en 9,6 secondes, tandis que la Model S le fait en 2,1 secondes. Mais c’est le mieux que j’ai trouvé.

La suite est simple.

On sait que l’hydrogène coûte aujourd’hui entre 10 et 12 € le kilogramme à la pompe. Ce qui revient à un coût à l’usage entre 0,10 et 0,12 € par kilomètre.

À l’opposé, le prix de l’électricité est très variable : 0,140 €/kWh à la maison et 0,9 €/kWh aux bornes de recharge rapide. Soit un coût à l’usage qui varie entre 0,02 et 0,13€ par kilomètre.

Autrement dit :

  • La Tesla est légèrement plus chère à l’achat, mais beaucoup plus performante ;
  • Et pour que la Tesla coûte à l’usage autant que la Toyota, la seule manière est que son propriétaire la recharge invariablement sur les bornes de recharge rapide ;
  • Usage complètement ubuesque qui ne concerne personne, puisqu’il suffit de la brancher toute la nuit à la maison.

Donc le coût à l’usage est beaucoup plus intéressant pour les véhicules électriques à batterie. Et c’est le même constat pour le deuxième coût, qui s’intéresse à la société.

En effet, l’intérêt des voitures et des motos à batterie est qu’elles n’ont pas besoin d’infrastructure particulière (hormis un réseau électrique solide). Elles peuvent être rechargées à domicile à partir d’une simple prise.

Les bornes de recharges rapides ne sont alors qu’un confort supplémentaire, utile surtout lors des longs trajets.

À l’inverse, les véhicules à hydrogène ne peuvent pas fonctionner sans une infrastructure extrêmement sérieuse. À double titre :

  • Les stations de recharges doivent être nombreuses pour rendre l’usage pertinent,
  • Et l’installation des stations est très onéreuse, à cause notamment de la nécessité de stocker l’hydrogène sous haute pression.

Au niveau du prix, la victoire des véhicules à batterie est donc incontestable. Du moins dans l’état actuel des choses, avec une technologie objectivement beaucoup plus mature.

Mais il suffirait de baisser le coût de production de l’hydrogène par hydrolyse pour observer un renversement total. Il ne faut donc jamais dire jamais.

Score final : 2-0.

En conclusion : l’hydrogène oui, mais pas aujourd’hui

Après la rédaction de cet article, je suis convaincu par la place que prendra l’hydrogène dans la mobilité de demain.

Mais je ne sais pas exactement sous quelle forme.

On peut en effet imaginer une plus grande pertinence de l’hydrogène chez les poids lourds, qui peuvent s’autoriser de plus grands réservoirs et une moindre densité de stations de recharges.

On peut aussi se projeter sur une utilisation de l’hydrogène comme solution de stockage de l’électricité produite la nuit par les éoliennes.

Tout est possible, tout est ouvert.

Mais force est de constater qu’aujourd’hui, les véhicules à batterie sont plus convaincants :

  • Ils affichent des performances au moins égales ;
  • Sont moins chers ;
  • Consomment moins d’électricité ;
  • Et leur impact environnemental est comparable à celui des véhicules à hydrogène.

Je peux donc répondre avec conviction que, dans les premiers temps, ma moto électrique ne sera pas une moto à hydrogène.

Pour autant, je ne m’engage pas sur le temps long. Car mon objectif est de choisir les meilleures technologies du moment, afin de produire la meilleure moto électrique possible.

Mais mon choix n’est pas encore fixé.

Car je n’ai pas encore étudié les batteries sodium-ion et les supercondensateurs. Je ne peux donc rien affirmer pour le moment. Mais ça ne saurait tarder, car les deux prochains articles seront à leurs sujets.

Si vous ne voulez pas les rater, c’est très simple. Vous pouvez vous inscrire en rentrant votre e-mail juste ici. Et il se peut que vous receviez quelques autres surprises :

On se retrouve juste en-dessous des références bibliographiques, dans les commentaires.


Références bibliographiques

[1] « L’énergie : stockage électrochimique et développement durable – L’énergie : stockage électrochimique et développement durable – Collège de France ».

[2] S.-S. Wei, T.-H. Wang, et J.-S. Wu, « Numerical modeling of interconnect flow channel design and thermal stress analysis of a planar anode-supported solid oxide fuel cell stack », Energy, vol. 69, p. 553‑561, mai 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.052.

[3] A. Besson, « Etude de polymères pour l’utilisation en membranes de piles à combustible », These de doctorat, Grenoble, 2014.

[4] CEA, « La pile à combustible ».

[5] Y. Song et al., « Review on current research of materials, fabrication and application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no 54, p. 29832‑29847, nov. 2020, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.07.231.

[6] Y. Yang, X. Zhou, B. Li, et C. Zhang, « Recent progress of the gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cells: Material and structure designs of microporous layer », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 46, no 5, p. 4259‑4282, janv. 2021, doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.10.185.

[7] L. Chong et al., « Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks », Science, vol. 362, no 6420, p. 1276‑1281, déc. 2018, doi: 10.1126/science.aau0630.

[8] J. Cellier, « Etude et caractérisations de membranes nanocomposites hybrides pour pile à combustible du type PEMFC », These de doctorat, Tours, 2017.

[9] J. Lee et al., « Innovative cathode flow-field design for passive air-cooled polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell stacks », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no 20, p. 11704‑11713, avr. 2020, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.07.128.

[10] A. Mehmeti, A. Angelis-Dimakis, G. Arampatzis, S. J. McPhail, et S. Ulgiati, « Life Cycle Assessment and Water Footprint of Hydrogen Production Methods: From Conventional to Emerging Technologies », Environments, vol. 5, no 2, Art. no 2, févr. 2018, doi: 10.3390/environments5020024.

[11] T. Alleau, « Production d’hydrogène à partir des combustibles fossiles », Association française pour l’hydrogène et les Piles à combustibles., .

[12] S. Menia, I. Nouicer, Y. Bakouri, A. M’raoui, H. Tebibel, et A. Khellaf, « Production d’hydrogène par procédés biologiques », Oil Gas Sci. Technol. – Rev. IFP Energies nouvelles, vol. 74, p. 34, 2019, doi: 10.2516/ogst/2018099.

[13] M. W. Davids et al., « Metal hydride hydrogen storage tank for light fuel cell vehicle », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no 55, p. 29263‑29272, nov. 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.01.227.

[14] M. Li et al., « Review on the research of hydrogen storage system fast refueling in fuel cell vehicle », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no 21, p. 10677‑10693, avr. 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.208.

[15] « Hydrogène : analyse des potentiels industriels et économiques en France », ADEME.

[16] SIA Partners, « La filière hydrogène-énergie en France ». .

[17] E. Yoo, M. Kim, et H. H. Song, « Well-to-wheel analysis of hydrogen fuel-cell electric vehicle in Korea », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no 41, p. 19267‑19278, oct. 2018, doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.088.

[18] M. D. Paster et al., « Hydrogen storage technology options for fuel cell vehicles: Well-to-wheel costs, energy efficiencies, and greenhouse gas emissions », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 36, no 22, p. 14534‑14551, nov. 2011, doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.07.056.

[19] « Electrofuels? Yes, we can … if we’re efficient | Transport & Environment ».

[20] M. Li, X. Zhang, et G. Li, « A comparative assessment of battery and fuel cell electric vehicles using a well-to-wheel analysis », Energy, vol. 94, p. 693‑704, janv. 2016, doi: 10.1016/j.energy.2015.11.023.

[21] S. Kosai, M. Nakanishi, et E. Yamasue, « Vehicle energy efficiency evaluation from well-to-wheel lifecycle perspective », Transportation Research Part D: Transport and Environment, vol. 65, p. 355‑367, déc. 2018, doi: 10.1016/j.trd.2018.09.011.

[22] Eurpoean Commission, « Determining the environmental impacts of conventional and alternatively fuelled vehicles through LCA ». .

[23] K. Bekel et S. Pauliuk, « Prospective cost and environmental impact assessment of battery and fuel cell electric vehicles in Germany », Int J Life Cycle Assess, vol. 24, no 12, p. 2220‑2237, déc. 2019, doi: 10.1007/s11367-019-01640-8.

2 commentaires

Donnez votre avis en un clic