L’ADEME vient de publier une étude sur les transports lourds fonctionnant à l’hydrogène. Une étude visant à évaluer la pertinence énergétique, économique et environnementale de l’utilisation de l’hydrogène pour la mobilité routière. Elle compare deux modes d’utilisation : pour l’alimentation d’une pile à combustible ou pour sa combustion dans un moteur thermique. Intitulée « TRANPLHYN », l’étude prend en compte quatre types de véhicules : le poids lourd long routier de 44 tonnes, le bus articulé de 18 mètres, l’autocar régional de 12 mètres et la pelle sur chenilles de 75 tonnes. Dans cet article, nous nous attacherons plus particulièrement aux résultats concernant les trois premiers. Ces véhicules consomment de grandes quantités d’énergie correspondant à des besoins difficiles à satisfaire avec un véhicule électrique à batterie.
En matière de décarbonation du transport, le véhicule à batterie est très efficace énergétiquement. Ainsi, les véhicules électriques s’imposent peu à peu dans les réglementations de nombreux pays. C’est le cas en France où l’Etat prévoit des aides spécifiques à l’achat de ces véhicules. Mais, pour les usages intensifs ou gros consommateurs d’énergie, il peut s’avérer inadapté. Pour des véhicules lourds et donc énergivores, la taille et la masse des batteries peuvent rapidement excéder plusieurs tonnes. Le temps de recharge constitue aussi un point de tension. Les batteries de grande capacité nécessitent en effet un temps de recharge élevé, ce qui réduit la disponibilité des véhicules. L’hydrogène peut constituer une alternative aux batteries massives pour le stockage de l’énergie nécessaire à l’avancement des véhicules électriques. Il peut en effet être transformé en énergie électrique par l’intermédiaire d’une pile à combustible (PàC).
Les objectifs de l’ADEME
L’utilisation de l’hydrogène dans le transport ne se limite pas au stockage d’énergie pour des chaînes de traction électriques. Elle ouvre également une seconde voie technologique pour la propulsion. Il est en effet possible de le brûler dans un moteur, selon un procédé similaire à la combustion des carburants fossiles. L’étude TranpLHyn vise à établir une comparaison entre ces deux modes de propulsion à hydrogène. Une comparaison sur les plans énergétique, économique et environnemental. L’ADEME a choisi quatre types de transport lourd qu’il semble aujourd’hui difficile d’envisager dans des configurations de véhicules à batterie. L’étude évalue chacune de ces applications sur la base d’un fonctionnement avec une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, d’une part, et avec un moteur à combustion interne d’hydrogène, d’autre part. Pour chaque véhicule, un usage moyen est défini pour servir la comparaison.
Dans son étude, l’ADEME évalue la consommation de combustible des différents types de véhicules sur différents cycles d’usage. Les valeurs annoncées pour les architectures à pile à combustible sont données sous la forme d’une moyenne. Une moyenne associée à une plage de variation autour de cette valeur moyenne. En effet, le dimensionnement du groupe motopropulseur a un impact direct sur la consommation d’énergie du poids lourd. Pour respecter son cahier des charges, la dimension minimale en puissance de la PàC doit être de 225 kW environ. Il faut alors lui associer une batterie d’une capacité de 75 kWh environ. De quoi permettre notamment au poids lourd d’assurer des missions sur des autoroutes empruntant des zones de montagnes. L’étude montre qu’un poids lourd à PàC transportant du fret consomme 20 à 30% de moins que son équivalent équipé d’un moteur à combustion d’hydrogène.
L’analyse énergétique pour les bus et les autocars
L’usage urbain des bus articulés favorise grandement les configurations électrifiées. La récupération d’énergie au freinage creuse l’écart entre les versions à moteur à combustion et celles à PàC. Ainsi un bus à PàC consomme de 30% à presque 50% de moins qu’un bus thermique à hydrogène. Comme pour le bus articulé, la récupération d’énergie apporte un gain important pour les configurations électrifiées de l’autocar régional. Un car régional à PàC consomme entre 30% et presque 50% de moins que son équivalent à combustion d’hydrogène. L’utilisation d’une PàC offre également une bien plus grande autonomie. A noter que pour les bus articulés et les autocars, la charge en passagers a un impact significatif sur la consommation. L’ensemble des résultats présentés dans l’étude permet d’évaluer l’intérêt des différentes variantes selon la fréquentation de la ligne considérée.
L’évaluation économique de l’étude se base sur l’indicateur TCO (Total Cost of Ownership) et agrège les différents postes de coûts. D’une manière générale, pour les 4 types de véhicules étudiés, le passage à l’hydrogène entraîne une multiplication du coût total de possession de 1,5 à 3 dès lors qu’on utilise de l’hydrogène issu de l’électrolyse. La dépense énergétique représente le premier poste de coûts. Les versions à pile à combustible sont handicapées par un coût d’acquisition très élevé des véhicules. Les TCO du véhicule à PàC et de la version à moteur à combustion d’hydrogène sont généralement assez proches. Néanmoins, le véhicule à PàC revient en moyenne 10 à 20% plus cher que la version à moteur thermique. Le coût d’acquisition plus élevé pour les variantes à PàC n’est que partiellement compensé par la réduction des dépenses associée à la consommation d’hydrogène.
L’analyse économique pour les bus et les autocars
La baisse de la consommation d’hydrogène est cependant forte pour les véhicules bénéficiant de la récupération d’énergie au freinage. Cela est particulièrement vrai pour les bus urbains et les autocars régionaux. Ainsi à l’avenir, une baisse du prix de l’hydrogène avantagera plutôt la solution à moteur thermique à hydrogène. Dans l’hypothèse d’un hydrogène à 3€/kg, le bus à combustion d’hydrogène devient par exemple compétitif par rapport au bus Diesel. A l’inverse, pour un prix élevé de l’hydrogène (12€/kg), un coût de PàC inférieur à 500€/kW rend le bus PàC un peu plus intéressant que la version à moteur à combustion d’hydrogène. Pour les autocars, seul le cas de l’utilisation d’hydrogène carboné dans un car à moteur thermique à hydrogène est compétitif par rapport à la version Diesel.
Le recours aux groupes motopropulseurs fonctionnant à l’hydrogène a un impact très positif sur l’environnement. Ceci à condition que l’hydrogène soit obtenu avec des procédés peu émissifs de gaz à effet de serre. La consommation d’hydrogène par la pile à combustible ne génère pas d’émission de GES en fonctionnement. La production de l’hydrogène représente la part prépondérante des émissions de GES sur le cycle de vie du poids lourd. Le poids lourd à PàC, qui a la plus faible consommation d’hydrogène, présente aussi l’impact GES le plus faible. De plus, la part des impacts liés à la production de l’hydrogène peut encore être réduite. Ceci en ayant recours à de l’électricité renouvelable pour procéder à l’électrolyse de l’eau. Sur l’ensemble du cycle de vie, les émissions de GES sont alors 5 à 6 fois plus faibles que pour la version Diesel.
Les conclusions de l’étude de l’ADEME
L’évaluation énergétique des différents véhicules étudiés a montré le fort intérêt des solutions électrifiées à hydrogène pour réduire la consommation. Dans ce domaine, les véhicules à piles à combustibles paraissent les plus efficients. L’intérêt des solutions électriques à PàC est encore plus fort pour les utilisations urbaines. La récupération d’énergie au freinage joue en effet un grand rôle dans l’efficacité énergétique du véhicule. Cependant, le passage aux différentes solutions à hydrogène risque d’être freiner par leur coût. L’analyse de leur TCO montre en effet qu’il entraîne une hausse de la dépense d’un facteur de 1.5 à 3 sur la durée de vie du véhicule. Pour y remédier l’ADEME invite à centrer les efforts sur le coût de fabrication de la pile à combustible. Ceci en améliorant aussi sa durée de vie afin d’éliminer le besoin de remplacement pendant la durée de vie du véhicule.
« La consommation d’hydrogène par la pile à combustible ne génère pas d’émission de GES en fonctionnement. » Si mes connaissances sont bonnes, les PAC H2 rejettent de la vapeur d’eau, le plus important GES de l’atmosphère, tant en quantité qu’en absorption d’IR. Cette information me semble donc fausse, tout comme l’affirmation que le réchauffement climatique (si il existe?) est causé par l’augmentation du taux de CO2. J’ai besoin de preuves scientifiques solides pour adhérer à la doxa climatique…
Ils ont oublier un petit truc, le moteur thermique aussi peut avoir un système de récupération d’énergie au freinage qu’il peut réutilisé par la suite sous forme de système hybride ou sous forme de turbo hybride/électrique. Donc au final, si on prend en compte le potentiel de l’hydrogène avec le moteur thermique + le faite que celui ci est fait dans un alliage abondant au lieu d’utiliser des métaux lourds et précieux comme dans les piles, Alors vaut mieux utiliser le moteur thermique ! Surtout que l’hydrogène fonctionne globalement mieux par craquage (moteur thermique) que par oxydation (pac). Et qu’en prenant en compte plusieurs paramètres, L’hydrogène, de part sa plus faible chaleur de combustion (-200 degrés par rapport à l’essence) et son point d’auto-allumage (520 environs contre 250 pour l’essence) peut faire explosé le rendement du moteur thermique qui pourrait atteindre les 60% malgré que le volume du mélange air/h2 soit beaucoup plus important. (Car les moteurs thermiques utilisé dans l’exemple sont des moteurs converties pour l’hydrogène, et non fait sur mesure pour elle.)
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