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PEU DE MODIFICATIONS

En soi, l’idée de brûler de l’hydrogène dans les moteurs n’est pas nouvelle, Jean-Luc Perrier l’a pour la première fois validée en 1979. Au sortir du second choc pétrolier, ce professeur de mécanique à l’université d’Angers avait converti le moteur d’une vieille Simca 1000 essence en hydrogène – qu’il produisait d’ailleurs lui-même dans son jardin à partir de panneaux solaires et d’un électrolyseur.

Il faut dire que, techniquement, la conversion ne nécessite pas de grosses modifications : “Le dihydrogène étant gazeux à température et pression ambiantes, il faut surtout modifier le circuit d’injection. Il est aussi nécessaire de remplacer certains matériaux susceptibles d’être fragilisés à la longue par cette molécule très petite. Mais rien de fondamentalement disruptif” , assure Christian Nellen, responsable du département Moteurs à combustion à la Haute école d’ingénierie et d’architecture de Fribourg, en Suisse.

En 2006, BMW a ainsi fabriqué 100 exemplaires de la berline Hydrogen 7 équipée d’un moteur de 6 litres et 12 cylindres, capable de rouler aussi bien à l’essence qu’à l’hydrogène. Mais les performances n’étaient pas encore au rendez-vous : “En mode hydrogène, ce moteur développait un couple équivalent à celui d’un moteur de 4 litres de cylindrée” , pointe Bertrand Gatellier. Et ce pour une raison simple : la combustion de l’hydrogène demande 2,5 fois plus d’oxygène par unité de masse que l’essence. Or les anciens moteurs dits “atmosphériques”, comme ceux des BMW Hydrogen 7, qui fonctionnaient par aspiration naturelle d’air, ne parvenaient pas à fournir assez d’oxygène pour créer une combustion optimale.

Heureusement, deux innovations obtenues ces vingt dernières années ont changé la donne. “D’abord, l’arrivée des turbocompresseurs, qui permettent de pomper bien plus d’air. Ensuite, l’injection directe du carburant, qui permet de mieux doser la répartition de l’hydrogène, un gaz très expansif, et donc d’obtenir des mélanges air/hydrogène mieux maîtrisés” , détaille Florence Duffour, cheffe de projet motorisation hydrogène à l’Ifpen. Des apports qui ont solutionné du même coup la question des émissions de NOx. “Le problème était que les hautes températures associées à la combustion de l’hydrogène favorisent la formation des oxydes d’azote.” Mais, là encore, “en injectant plus d’air que nécessaire pour la combustion, on peut abaisser la température et atteindre des concentrations d’oxyde d’azote à l’échappement cent fois moindre que celles d’un moteur diesel” , se félicite la chercheuse, qui l’a démontré sur le banc d’essai de l’Ifpen.

On peut atteindre cent fois moins d’oxyde d’azote à l’échappement que dans un moteur diesel – FLORENCE DUFFOUR Cheffe du projet Motorisation hydrogène à l’Ifpen

POUR LES VÉHICULES LOURDS

Bref, le moteur thermique à hydrogène fonctionne ; la propulsion hydrogène rechargeable à la pompe en quelques minutes, très dense en énergie – l’hydrogène contient trois fois plus d’énergie par unité de masse que le gazole -, est prête. Alors, pourquoi cette idée ne revient-elle en force qu’aujourd’hui ? D’abord parce sur le segment de la voiture individuelle, le tout-électrique a pris trop d’avance.
L’hydrogène décarboné, un pari

Si l’hydrogène porte de nombreuses promesses, sa production actuelle est à plus de 95 % carbonée car dérivée du gaz naturel, d’origine fossile. L’hydrogène propre, lui, doit être issu de l’opération d’électrolyse. C’est donc un pari : bien qu’en plein essor industriel, cette filière reste pour l’heure embryonnaire et incapable de fournir de grands volumes. Par ailleurs, le succès de la mobilité hydrogène repose aussi sur le déploiement, d’ici à 2030, de milliers de stations de recharge à hydrogène… alors que seulement 230 étaient opérationnelles en Europe, fin 2021.

“La messe est dite” , tranche Bertrand Gatellier. Forts d’une décennie d’industrialisation, les véhicules électriques bénéficient des progrès fulgurants des batteries en termes d’autonomie et de coût de fabrication, si bien qu’ils devraient atteindre la parité de prix avec les voitures essence d’ici à 2027, selon l’organisme Transport & Environnement. Cette technologie est également optimale d’un point de vue énergétique global, grâce au rendement très élevé du moteur électrique, de 98 %, qui cause bien moins de pertes que le moteur thermique, dont le rendement oscille entre 25 et 45 % selon les usages.
Les prototypes déjà en route

Le moteur à hydrogène pourrait remplacer avantageusement la pile à combustible sur les transports lourds (camions, bateaux) et/ou de forte puissance (voitures de course). Plusieurs prototypes de véhicules à motorisation hydrogène sont déjà en développement.

1 Baptisé Hydrotug et construit par la Compagnie maritime belge (CMB) pour le port d’Anvers, ce remorqueur à très faibles émissions est équipé d’un moteur brûlant à la fois diesel et hydrogène, l’hydrogène fournissant 85 % de la puissance.

Il préfigure la conversion possible à l’hydrogène du secteur marin.

2 Comme presque tous les spécialistes du secteur des poids lourds, le motoriste FEV a annoncé le développement de moteurs à hydrogène. Une solution prisée car elle pourrait s’avérer globalement plus intéressante que la pile à combustible, qui est moins mature technologiquement et offre de moins bons rendements à plein régime.

3 Alors que son moteur était conçu à l’origine pour l’essence, cette voiture de course Toyota GR Yaris H2 carbure bien à l’hydrogène. Ce dernier brûle plus rapidement que l’essence et offre davantage de vivacité au moteur. À tel point que de nombreux constructeurs nippons envisagent la motorisation hydrogène comme une alternative au tout-électrique.


Sauf que, en ce qui concerne les véhicules plus lourds, de l’utilitaire au camion en passant par les avions et les bateaux, la motorisation électrique n’est pas vraiment adaptée. “Si l’on a besoin de parcourir de très longues distances et d’alimenter un véhicule de forte puissance, les batteries deviennent trop encombrantes ou trop longues à recharger” , révèle Bertrand Gatellier. Sur ce créneau particulier, les constructeurs sont donc pris au dépourvu !

“Les agendas de décarbonation se resserrentet ils n’ont pas de solution aboutie et fiable” , explique Christine Rousselle, chercheuse au laboratoire Prisme, à Orléans.
Les autres candidats à la carburation propre

L’hydrogène n’est pas seul en lice pour décarboner les moteurs ! Certains motoristes développent des engins capables de brûler un dérivé proche : l’ammoniac. De formule NH3, ce gaz peut être produit par la réaction bien maîtrisée de l’azote avec l’hydrogène. Son avantage ? “L’ammoniac est plus facile à manipuler car liquide à -34°C ou à 10 bars, contre -253°C ou 350 bars pour l’hydrogène”, note Christine Rousselle, chercheuse à l’université d’Orléans. Certains industriels projettent aussi de retransformer l’hydrogène décarboné en le combinant à du CO2 pour produire des essences ou gazole décarbonés. Seul hic : ces “e-fuels” produisent autant d’oxydes d’azote que les carburants fossiles classiques lors de la combustion… et ne passeront donc pas les futures normes d’émissions.

L’hydrogène pourrait en être une. À l’heure actuelle, les rares véhicules à hydrogène disponibles commercialement ne fonctionnent pas avec un moteur mais avec une pile à combustible, un système combinant l’hydrogène à l’oxygène de l’air ambiant pour produire de l’électricité et entraîner un moteur électrique .

Problème : il reste très cher . Le prix de la berline à hydrogène de Toyota, la Mirai, s’élève par exemple à quelque 70 000 €, parce que la pile à combustible utilise du platine, un métal rare, et doit être couplée à une batterie pour le complément de puissance sur les phases d’accélération. “Surtout, on n’a pas encore de vision claire sur sa durée de vie : faudra-t-il la remplacer au cours du cycle de vie d’un véhicule ?” interroge Christian Nellen.

UN ALLIÉ POUR LA TRANSITION

Le moteur thermique offre, lui, ses meilleurs rendements énergétiques, de 40 % à 45 %, pour les véhicules puissants lancés à plein régime, tel un poids lourd sur l’autoroute ! Aussi, “il ne nécessite pas de modifier drastiquement les chaînes de montage des constructeurs, et offre une solution bien moins chère à l’investissement pour le client”, fait valoir Luis Le Moyne.

Des chercheurs de l’Ifpen sont même allés jusqu’à évaluer, dans ce match “moteur vs pile à hydrogène”, le coût total de possession, qui comprend l’investissement mais aussi les dépenses effectuées durant toute la vie du véhicule : entretien, carburant, etc. Leurs projections montrent ainsi qu’un poids lourd de 44 tonnes doté d’un moteur à combustion d’hydrogène pourrait être plus avantageux d’ici à 2040 que ses équivalents diesel et pile à combustible… tout en bénéficiant d’un impact environnemental comparable à ce dernier. Le V8 5 litres de Toyota et Yamaha, lui, est avant tout destiné à des voitures de course.

Reste que, pour certains chercheurs, le tout-électrique pourrait bien plafonner, même pour la voiture de M. Tout-le-Monde. “Un parc automobile 100 % électrique créerait lors de la recharge des appels de puissance monstrueux, que le réseau électrique national serait bien en peine d’absorber. Conserver une partie du parc en moteurs thermiques, et notamment à hydrogène, peut aider à faire la transition” , fait valoir Christine Rousselle. “Le moteur à hydrogène pourrait bien être une solution low cost pour décarboner les transports à court terme” , abonde Luis Le Moyne. Et les rugissements métalliques avoir encore de beaux jours devant eux.