Gaz et avenir

Mardi dernier, j’ai eu le plaisir d’être convié par l’IESF à une soirée “Hydrogène, avenir des transports”. Merci à cette organisation d’ingénieurs qui s’implique dans les enjeux de notre monde et aux conférenciers qui nous ont présenté plein d’informations intéressantes sur la technologie en jeu et ses limites, ainsi que sur les business model sous-jacents.

L’état français semble motivé pour avancer rapidement dans cette voie, il en va de même pour notre région Auvergne-Rhône-Alpes : https://www.auvergnerhonealpes.fr/278-pour-une-filiere-hydrogene-d-excellence.htm

L’utilisation de ce gaz pour faire avancer des véhicules ne présente que des avantages à première vue : on combine de l’hydrogène (de son nom complet dihydrogène – H2) avec de l’oxygène prélevé dans l’air environnant (O2) et cela nous donne de l’eau (H2O) et surtout de l’énergie électrique (ainsi qu’un peu de chaleur). Pour faire cela, il faut une pile à combustible qui permet la réaction chimique avec une électrode au platine (qui n’est pas le métal le moins cher à obtenir ici-bas). Ou plus précisément tout un paquet de piles à combustible juxtaposées puisque chacune ne produit qu’un faible courant.

Avec un léger inconvénient en termes de mobilité : la pile a besoin de temps pour s’adapter à la demande de courant qui lui est faite. Impossible alors de conduire une voiture qui répond à l’accélérateur après plusieurs secondes, en tout cas moi je ne tenterai pas l’expérience.

Il faut donc adjoindre à cette pile un système électrique à batterie, d’une manière très similaire à ce qui est fait pour une voiture hybride thermique/électrique. La batterie permet une réponse instantanée aux commandes du pilote en cas d’accélération, et stocke l’énergie excédentaire quand on ralentit le temps que la pile “redescende”. Là on commence à avoir un système sympa et fonctionnel, avec des voitures qui fonctionnent comme leurs homologues thermiques, et permettent d’atteindre une autonomie de l’ordre de 500 km avec des performances pas ridicules, du même ordre de grandeur que celles d’une berline de 100 à 150 CV.

Schéma fonctionnel : pas si simple.

Une fois rendus à ce point, il n’y a plus qu’à trouver un peu d’hydrogène et à le mettre dans le réservoir, et c’est parti pour un voyage au pays des voitures propres !

Et on le trouve où, cet hydrogène ?

Bonne nouvelle : l’hydrogène est extrêmement courant dans l’univers (il suffit d’aller se servir dans les étoiles qui nous entourent) et aussi sur notre bonne vieille terre. Moins bonne nouvelle : il est la plupart du temps lié à d’autres molécules et si on veut pouvoir l’utiliser il faut casser ces liaisons atomiques, ce qui demande de l’énergie. Aujourd’hui, on le produit très majoritairement (plus de 90%) à partir du craquage de méthane. Rappelons innocemment que ce méthane de formule CH4 est un gaz fossile qui se trouve en général avec le pétrole ou le charbon puisqu’il provient de la même origine. D’ailleurs il faudra qu’un jour on m’explique pourquoi on qualifie le pétrole et le charbon de fossiles alors que le gaz est qualifié de naturel (je demanderai à ce bon vieux “on” la prochaine fois que je le croiserai).

Bref, si on utilise du gaz naturel mais fossile pour produire notre hydrogène, on va développer toute une filière de production et alimentation de véhicules pour gagner grosso modo un facteur “un virgule quelque chose” sur les émissions de gaz à effet de serre (en partant de l’hypothèse que le méthane émet deux fois moins de carbone que le carburant liquide, mais qu’on a quelques histoires de rendements qui entrent en jeu au milieu et nous font baisser ce ratio – et pas certain que dans certaines conditions notre gain ne soit pas inférieur à un ce qui serait un comble pour des voitures propres d’être plus polluantes que des voitures sales). Exit cette possibilité, donc.

Exit aussi les champs naturels d’hydrogène (il semblerait que cela existe), à ce jour aucune exploitation n’en est faite et rien n’indique que cela soit techniquement possible avec un rendement correct.

Il nous reste donc la méthode d’électrolyse que nous avons tous apprise en cours de chimie au collège : on casse les liaisons des molécules d’H2O avec un simple courant électrique. Reste en suite à capturer l’hydrogène, ce qui n’est pas simple car c’est une toute petite molécule qui profite du moindre trou (à l’échelle de la molécule, on parle de tout petits trous) pour s’échapper. Puis à le stocker. Là on se heurte à un problème de densité, l’hydrogène étant très énergétique si on le compte à la molécule mais très peu si on le compte en volume. Il va donc falloir le comprimer très fortement : de 350 à 700 bars (70 MPa pour ceux qui causent en unités réglementaires) dans les réservoirs des voitures, et 1000 bars dans la station de distribution qui doit avoir une pression supérieure à celle du réservoir sinon avec les pertes de charges on ne peut plus faire le plein. Les lois de la mécanique des fluides sont cruelles (et pleines d’équations compliquées, mais c’est un autre débat…).

Résumons : énergie pour dissocier la molécule d’hydrogène de celle d’oxygène, énergie pour comprimer, fuites… on va encore avoir une histoire de rendement qui va venir nous expliquer des trucs désagréables.

Rendement or not rendement ?

Je vous passe le détail des calculs faits avec amour par mon camarade Bruno Olivier, mais on arrive grosso modo à un rendement qui se situe quelque part entre 10 et 15 % (j’ai entendu également des valeurs bien inférieures, mais cela ne change pas l’ordre de grandeur et ne modifie aucunement mon raisonnement). Donc si j’utilise un mix énergétique français à 65 gCO2e/kWh et une voiture qui consomme 15 kWh/100 km je vais émettre 65×15/(0,20*100) soit 48,8 gCO2e/km pour me déplacer (les émissions de fabrication et recyclage ne sont pas comptabilisées ici, ce n’est pas l’objet de la discussion – en revanche il serait intéressant de s’y pencher, et aussi sur la disponibilité du platine entre autres).

Comparons à une Renault ZoE à batterie “classique” : là je considère un rendement de 85% entre la prise et l’énergie qui fait se déplacer le véhicule (les pertes étant dues au chargement de la batterie). On obtient alors : 65×15/(0.85/100) soit 11,5 gCO2e/km.

J’entends déjà quelques fâcheux de couleur verte (qui se dénommaient les Tristus dans l’illustre journal de notre enfance Pif Gadget) s’écrier “oui mais si on fait avec l’électricité verte issue de sources renouvelables c’est vachement mieux !”. Pas faux avec de l’éolien (19 gCO2e/kWh) et faux avec du solaire (80 gCO2e/kWh). En revanche, cela implique pas mal d’infrastructures, et c’est plus compliqué que de faire un simple branchement chez Enedis, surtout si on veut développer en masse les véhicules à hydrogène (si on veut atteindre l’objectif fixé par notre gouvernement de ne plus vendre aucun véhicule thermique en 2040, on parle bien d’un développement de masse des véhicules alternatifs électriques et hydrogène, qui ne représentent que quelques tout petits du parc actuel aujourd’hui en 2020). Et comme l’industrie automobile est à l’échelle mondiale, n’oublions pas nos voisins plus ou moins éloignés qui font de l’électricité fortement carbonée… avec un mix à 650 g (Pologne par exemple) on arrive à 115 gCO2e/km : autant aller acheter une Twingo pour cinq fois moins cher et rouler à l’essence !

Pompes à hydrogène

La station hydrogène selon un constructeur japonais bien connu (et dont j’aime bien les voitures mais c’est un aparté)

Aujourd’hui, la France compte 11000 stations service. Si on envisage à l’horizon 2040 un parc automobile à moitié composé de véhicules fonctionnant à l’hydrogène, il serait appréciable que la moitié des stations soient équipées d’une station de distribution ad hoc. Donc 5500 stations, avec un coût unitaire de 1 à 2 millions d’Euros (dans les conditions actuelles – cf. Le Monde du 08/04/2019 et Les Echos du 15/11/2019). Cela nous donne un investissement de 5,5 à 10 Md€ sur 20 ans. On consomme en France de l’ordre de 50 millions de mètres cubes de carburant chaque année pour le transport routier en général (particuliers, professionnels, fret, voyageurs), soit un chiffre d’affaires des distributeurs de l’ordre de 35 milliards d’Euros (volume x prix du carburant hors taxes de 70 centimes aux variations près du prix du pétrole qui sont intéressantes au moment où j’écris ces lignes). Bref, 35 Md€ de CA et de 0,25 à 0,50 Md€ à investir cela ne semble pas complètement impossible. En revanche, l’évolution de ce chiffre d’affaires liée à celle du marché automobile amène une certaine incertitude sur leur capacité à conserver ce volume d’activité. Dans ces conditions, vont-ils investir dans ce secteur ou ailleurs ou pas du tout ? Et leurs investissements ne seront-ils pas conditionnés aux décisions politiques et l’implication des Etats européens sur le sujet ?

Bien entendu nous ne parlons là que de réseau de distribution, il faudra également payer le réseau de production de notre hydrogène, celui de transport, celui de stockage. Ce qui soulève quelques questions au nombre desquelles “combien ça coûte ?” et “qui s’en occupe ?”. Quand on voit le franc succès remporté par le développement des stations de recharge électriques (par exemple, un de nos clients qui a quelques véhicules électriques en parc a pour l’instant renoncé à toute recharge itinérante devant les difficultés rencontrées telles que : incompatibilité des différents réseaux de bornes, impossibilité de payer en CB, comportement incivique des autres conducteurs, bornes non fonctionnelles, et autres désagréments), une gestion un peu différente du déploiement de l’hydrogène pourrait être souhaitable. Pour le combien ça coûte, il faudrait une étude un peu plus détaillée que les quelques règles de trois ci-dessus, la question reste donc en suspens pour le moment dans l’état de mes connaissances.

En résumé

Le véhicule à hydrogène, c’est techniquement faisable. Encore un peu cher : une berline Toyota Mirai coûte dans les 80 000 € mais cela peut évoluer rapidement dans le bon sens comme cela a été le cas pour les véhicules électriques. Et elle a le double mérite d’exister et de fonctionner.

La Toyota Mirai – On aime ou pas, mais en tout cas ça mange de l’hydrogène

Produire de l’hydrogène à partir d’électricité c’est possible, mais les émissions de gaz à effet de serre sont nettement plus importantes que celles d’une voiture électrique chargée sur le même réseau avec le même mix énergétique, d’un facteur 4 environ. Et atteignent voire dépassent celles d’une voiture thermique avec une électricité très carbonée, légère difficulté que nous rencontrons déjà avec les véhicules électriques à batterie.

En revanche, et je n’ai pas abordé ce point ci-dessus, utiliser de l’électricité fatale produite par des moyens renouvelables et que l’on perdrait de toute manière si on ne la stocke pas pour produire de l’hydrogène pourrait être une bonne idée. Je parle au conditionnel, cela nécessite une étude sérieuse dans la mesure où il existe d’autres moyens de stockage avec un rendement bien meilleur (batteries de véhicules électriques en fin de vie et STEP).

Il y a un réseau de production et distribution à mettre en place, ce qui pose la question d’une gestion sérieuse du déploiement. On laisse faire les acteurs privés en espérant qu’ils seront garants de l’intérêt public comme pour les bornes de recharge électriques ou on décide que c’est une infrastructure qui relève (au moins pour son déploiement) des fonctions régaliennes de l’Etat ?

Tout cela soulève plus de questions que de réponses. J’ai tendance à croire (avertissement au lecteur : là on rentre dans le domaine de la croyance et on rentre dans des considérations personnelles et philosophiques au lieu de techniques) que les seules mauvaises solutions seront celles qui ne feront pas l’objet d’études suffisamment sérieuses (dit autrement : qui seront vendues à nos élus par des commerciaux visionnaires), et ne seront ni planifiées ni suivies à long terme. Après, le juge de paix final et inexorable sera le coût…

En conclusion

N’oublions pas que les modes de mobilité de demain ne pourront très certainement pas être les mêmes que ceux d’aujourd’hui. Et que miser sur des technologies qui fonctionnent et s’organiser en fonction de celles-ci laisse ensuite la possibilité de s’améliorer, alors que miser sur des technologies qui permettent au prix d’une grande complexité de reproduire ce que nous avons actuellement avec les énergies fossiles risque de nous conduire à disperser des ressources financières qui ne sont pas infinies. Une voiture électrique à batteries c’est relativement simple, nous avons une électricité très décarbonée en France, alors pourquoi ne pas simplement capitaliser sur ces acquis et traiter d’autres sujets (et Dieu sait qu’il y en a à traiter) avec nos ressources ? Si on avait la possibilité de faire croître indéfiniment de 2% par an notre économie, nous n’aurions pas à nous poser ce genre de questions puisque nous aurons une infinité de ressources y compris monétaires disponibles. Hélas, les lois de la physique n’ont pas mis cela au programme…

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