Comment fonctionne une voiture à hydrogène ?

Le transport est l'un des plus grands contributeurs des émissions mondiales de gaz à effet de serre. 

Cette activité humaine est responsable de rejets équivalents à plus de 13 gigatonnes de CO₂ en 2016 révèle l'Agence internationale de l'énergie, dont les 3/4 imputés aux voitures, bus et camions fonctionnant aux énergies fossiles. 

Réduire ces émissions de GES est un défi pour la planète, en remplaçant le parc de véhicules par des solutions moins polluantes.

Alors que les véhicules à batterie électrique sont l'alternative qui vient le plus souvent à l'esprit lorsqu'il faut évoquer le sujet du transport décarboné, la voiture à hydrogène est encore méconnue du grand public. 

Si son nom laisse penser que l'hydrogène se substitue à l'essence ou au diesel, aucune combustion n'est nécessaire cependant dans son moteur pour propulser ce type de véhicule. 

Les voitures à hydrogène mises sur le marché aujourd'hui sont en effet pourvues d'une motorisation électrique, alimentée en énergie par une pile à combustible elle-même produisant l'électricité à partir de l'hydrogène.

La voiture à hydrogène est donc avant tout un véhicule à propulsion électrique. Contrairement aux autres véhicules électriques à batterie rechargeable, elles produisent cependant de l'électricité à l'aide de leur pile à combustible alimentée à l'hydrogène. 

Pour cette raison, certains connaisseurs préfèrent utiliser l'expression voiture à pile à combustible, à la place de voiture à hydrogène.

Qui a inventé la voiture à hydrogène ?

La pile à combustible est une découverte remontant au XIXe siècle, du chimiste allemand Christian Schönbein. Cette ingénierie permet de créer une tension électrique grâce à l'oxydation d'un combustible réducteur comme l'hydrogène et la réduction d'un oxydant comme l'oxygène. 

Des premiers tests de voiture à pile combustible apparaissent dès les années 1960. Ce n'est pourtant que dans les années 1990 que les voitures munies de pile à hydrogène reçoivent réellement toute l'attention des constructeurs. 

Durant cette décennie, les sorties de prototypes de véhicules à pile combustible s’enchaînent, dans l'optique déjà de proposer des solutions de remplacement aux voitures dotées d'une motorisation thermique.

Les voitures à pile à combustible ne sont pourtant pas les seuls véhicules à hydrogène. Bien avant d'exploiter la pile à combustible, les ingénieurs ont tenté de créer des moteurs à explosion utilisant l'hydrogène comme carburant. 

Ces tentatives remonteraient ainsi au début des années 1800, lorsque le Suisse François Isaac de Rivaz met au point des motorisations à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène. 

Tout au long de l'histoire, ce type de moteur brûlant de l'hydrogène est développé par les constructeurs automobiles, mais il est délaissé peu à peu au détriment des véhicules à pile combustible, les principales voitures à hydrogène présentes sur le marché aujourd'hui.

Les avantages de la voiture à hydrogène

La neutralité carbone est un objectif commun en Europe et dans le monde. À l'horizon 2050, les moyens de transport terrestre doivent ainsi être propres, fonctionnant désormais avec une source d'énergie alternative aux ressources fossiles. 

Alors que les voitures 100 % électrique et hybrides rechargeables affichent des arguments intéressants pour y parvenir, les véhicules à hydrogène proposent eux aussi un ensemble d'avantages leur permettant d'être une solution fiable pour atteindre la neutralité carbone.

Sur le plan environnemental, les avantages de ces véhicules se distinguent tout d'abord en raison de l'hydrogène, le principal élément indispensable pour leur propulsion :

- L'hydrogène est bon marché et son exploitation dans la pile à combustible ne produit que de l'eau et donc pas de CO₂ ni de particule. Il produit 3 fois plus d'énergie qu'une quantité équivalente d'essence.

- L'hydrogène est l'un des composants chimiques les plus abondants dans l'univers. Contrairement au pétrole, au gaz ou au charbon, l'hydrogène ne se trouve pas sous une forme brute dans la nature. 

Il n'est donc pas extrait par l'exploitation du sous-sol et peut d'ailleurs être fabriqué par un procédé chimique. Deux méthodes existent pour créer de l'hydrogène pour alimenter la pile à combustible, soit à partir de gaz naturel ou d'un autre combustible fossile, soit par conversion de l'eau par électrolyse, un procédé nécessitant de l'énergie électrique. 

D'un point de vue environnemental, l'hydrogène produit par électrolyse n'est donc propre qu'à condition que l'électricité utilisée provienne d'une source renouvelable.

D’un point de vue pratique, la voiture à hydrogène propose des avantages lui conférant d'être une sérieuse rivale des véhicules munis d'une batterie électrique. 

Les voitures hybrides rechargeables ou 100 % électriques disposent d'une autonomie moyenne allant de 100 à un peu plus de 800 km sur les modèles les plus performants et donc les plus onéreux. 

Le temps nécessaire à la recharge de leur batterie est également conséquent, nécessitant souvent un branchement de plusieurs heures au réseau électrique.

A contrario, il suffit de quelques minutes, soit l'équivalent de la durée nécessaire pour remplir un réservoir de diesel ou d'essence, pour faire un plein en hydrogène sur un véhicule à pile à combustible. 

L'autonomie de ces véhicules à hydrogène est par ailleurs plus longue, un seul plein permettant aux occupants de profiter d'un rayon d'action minimum de 450 km et de plus de 700 km pour le record mondial.

Les inconvénients de la voiture à hydrogène

Même si la voiture à hydrogène propose plusieurs avantages sur les plans environnemental et pratique, quelques points d'amélioration existent afin que ces véhicules puissent gagner davantage de parts de marché par rapport aux hybrides rechargeables et aux 100 % électrique :

- Une grande partie de la production mondiale actuelle de l'hydrogène est encore réalisée grâce à l'utilisation d'énergie fossile et notamment du gaz naturel. Ce procédé induit donc un impact environnemental non négligeable. Seulement 4 % de l'hydrogène proviendrait ainsi de l'électrolyse dans le monde aujourd'hui.

- L'hydrogène est un élément chimique facilement inflammable, les techniques de transport et de stockage doivent être améliorées pour davantage de sécurité.

- Contrairement aux véhicules électriques dont les bornes de recharge sont disséminées dans de nombreuses agglomérations, les stations proposant de l'hydrogène sont très peu nombreuses. 

En France, on en dénombre ainsi moins d'une cinquantaine opérationnelle, et en Allemagne moins d'une centaine.

Véhicule à hydrogène : quel prix et quelles marques ?

Les défis et contraintes réglementaires de la neutralité carbone imposent aux constructeurs automobiles de proposer les meilleures solutions pour l'expansion de moyens de transport propres. 

Même si elles sont encore peu nombreuses aujourd'hui par rapport à leurs analogues 100 % électrique ou hybrides rechargeables, les voitures à hydrogène commencent petit à petit à se montrer. 

Les plus grands acteurs du marché de l'automobile proposent ainsi aujourd'hui leurs modèles sur le marché.

Figurant souvent dans le top 3 mondial des constructeurs automobiles, Toyota est l'une des premières marques à lancer une version tout public d'un véhicule à hydrogène. Baptisée Mirai, la voiture à pile combustible du constructeur japonais est la première voiture à hydrogène fabriquée à grande échelle dans le monde. 

Des constructeurs comme Honda avec le Clarity et Hyundai ont également lancé leurs modèles dans la foulée du géant japonais. Signé Hyundai, le Nexo est ainsi une voiture à hydrogène disponible en France depuis quelques années.

Le coût de production d'une voiture à hydrogène est également un autre point d'amélioration sur lequel les constructeurs doivent encore travailler. 

La fabrication de ces véhicules nécessite en effet des techniques et des matières premières onéreuses et notamment du platine, se répercutant directement sur le prix à la vente. 

Les véhicules à hydrogène sont ainsi vendus dans une fourchette de prix allant de plus de 50 000 à 80 000 euros aujourd'hui, soit bien plus chers que les voitures électriques ou à moteur à combustion.

Les véhicules à hydrogène en France

Le fonctionnement de la pile à combustible ainsi que les promesses des véhicules à hydrogène sur l'environnement séduisent la France, l'une des nations les plus en pointe sur la question. 

Environ 80 millions d'euros sont ainsi alloués au développement de véhicules comme les poids lourds, les autobus ou les camions transportant des bennes à ordures ménagères fonctionnant à hydrogène.

Sous la diligence de l'Agence de la transition énergétique, certains projets visent également à la création d'une quarantaine de stations-service fournissant de l'hydrogène à travers le territoire. 

En 2023, le plan tricolore concernant les voitures à hydrogène fixe ainsi la mise en place de 100 stations-services et la mise en circulation de 200 poids lourds et 5 000 camionnettes. 

Concernant les usagers particuliers, l'Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible estimait en 2018 qu'environ 400 voitures légères à hydrogène arpentaient déjà les routes tricolores.

Les constructeurs automobiles français sont également à l'œuvre sur la voiture à hydrogène. Renault est ainsi l'un des constructeurs les plus prolifiques autour du sujet, dévoilant en 2019 des versions à hydrogène de ses utilitaires Kangoo et Master. 

Disponibles sur le marché depuis la fin 2019, le Kangoo Z.E. Hydrogen et le Master Z.E. Hydrogen sont des véhicules pourvus d'une motorisation 100 % électrique tirant parti d'une batterie. 

Cet accumulateur est couplé à une pile à hydrogène permettant de le charger lorsque c'est nécessaire. L'autonomie annoncée pour ces véhicules est d'environ 350 km.

Évolution de la voiture à hydrogène :

La voiture à hydrogène est vecteur de promesses en raison de ses nombreux avantages, notamment celui de nécessiter d'une source d'énergie induisant un impact environnemental limité. Même si des points d'amélioration existent toujours aujourd'hui, avec l'accélération des évolutions technologiques, les observateurs sont nombreux à reconnaître que son potentiel est très large.

Il a suffi d'une trentaine d'années pour que les premiers prototypes soient déclinés en version tout public pour les voitures à hydrogène. 

Même si le duel les opposant aux véhicules à batterie électrique s'annonce difficile, leur évolution accélérée grâce aux progrès technologiques leur permettra de grignoter à l'avenir de plus en plus de parts sur le marché de l'automobile.

Quel avenir pour les véhicules à hydrogène ?

L'avenir de la voiture à hydrogène dépend finalement de nombreux acteurs. Les consommateurs ne seront conquis que lorsque les prix seront abordables, les constructeurs doivent ainsi accélérer les recherches et le développement de solutions permettant de réduire leur coût. 

Les gouvernants de leur côté doivent s'activer pour faciliter la mise en place des infrastructures nécessaires à un usage tout public de ce type de voiture.

L'Union Européenne a ainsi récemment décidé d'appuyer le secteur de l'hydrogène en dévoilant un plan pour sa véritable expansion. Les ambitions de la Commission européenne sont ainsi de voir à l'horizon 2050 une part de 12 % à 14 % de l'hydrogène dans le mix énergétique, et donc par extension dans le secteur du transport à travers l'utilisation de voitures à pile combustible.

Aujourd'hui, le marché de l'hydrogène couvre en effet uniquement 1 % de la consommation énergétique totale en Europe. 

Vers 2024, la production de ce gaz permettra de générer près de 6 gigawatts d'énergie et environ 40 gigawatts en 2030. 

Ce plan européen évoquant entre 180 et 470 milliards d'euros d'investissements jusqu'en 2050 devrait donc participer à une rapide expansion des voitures à hydrogène dans les années à venir.