Le principe de la pile à combustible est connu depuis le XIXème siècle, son application pour propulser des véhicules est expérimentée depuis des décennies, mais cette technologie a longtemps soulevé un fort scepticisme. Le véhicule à hydrogène présente en effet des inconvénients de taille, d’un point de vue de coût, de sécurité, de durée de vie et d’impact environnemental. Mais les effets d’une recherche acharnée aux quatre coins du monde commencent à se faire sentir, les constructeurs automobile commercialisent de plus en plus de modèles : imaginer un avenir pour cette technologie devient de moins en moins fantaisiste.

La technologie du véhicule à hydrogène est en pleine effervescence depuis environ 3 ans, prouvant la vigueur d’une filière que beaucoup annonçait sans avenir à l’orée des années 2010. Les premiers véhicules particuliers ont été commercialisés, la Hyundai ix35 et la Toyota Mirai depuis 2015, la Honda Clarity depuis 2016 – pour quelques centaines d’exemplaires vendus.

Sur le seul mois de septembre 2017, Mercedes a annoncé la sortie prochaine de la GLC F-Cell, sa première voiture utilisant la pile à combustible, Hyundai la commercialisation, début 2018, d’un SUV aux performances largement supérieure au ix35 et Toyota la signature de plusieurs contrats avec des municipalités pour des flottes de bus à hydrogène.

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Un véhicule n’émettant que de l’eau, à recharge rapide et à forte autonomie

Car, dans l’optique d’une transition énergétique, le véhicule à hydrogène, fonctionnant grâce à une pile à combustible, a de beaux atouts à faire valoir.

Le principe de cette pile est assez simple : elle utilise la réaction chimique entre l’hydrogène, provenant d’un réservoir et injecté à l’anode, et l’oxygène de l’air, à la cathode, pour produire un courant électrique. Ce courant électrique fait fonctionner le moteur de la voiture. Cette réaction chimique rejette de l’eau, sous forme de vapeur, qui est la seule émission directe de cette pile, ainsi que de la chaleur, qui peut être récupérée, mais aucun gaz à effet de serre.

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Les trois autres avantages clés de cette technologie sont un rechargement rapide, de 3 à 5 minutes pour faire un plein d’hydrogène, contre plusieurs heures pour un véhicule électrique, une autonomie similaire à un véhicule diesel, 600 km pour les véhicules commercialisés, mais le nouveau modèle de Hyundai annonce 800 km, et enfin une technologie qui avance vite, grâce à des armées de chercheurs un peu partout dans le monde.

Une recherche active pour combler les défauts de la pile à combustible

« Cette recherche est l’une des plus actives au monde », explique le physicien Pascal Brault : des centaines d’équipes travaillent sur la pile à combustible et son application pour les véhicules ; rien qu’en France, plus d’une centaine d’équipes, issues d’universités, du CNRS ou de groupes industriels, sont unie dans un groupe de recherche particulièrement dynamique. Cette recherche est largement soutenue, notamment par l’Union Européenne, qui a alloué, pour la période 2014-2020, 665 millions d’euros de subventions.

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Si la recherche est aussi intense, c’est que le potentiel de la voiture à hydrogène est aussi grand que ses défauts actuels. Historiquement, l’inconvénient numéro 1 est lié à la dangerosité de l’hydrogène, un gaz volatil et hautement explosif : une mauvaise manipulation pouvait avoir des conséquences dramatiques. Aujourd’hui le transport et le stockage sont sécurisés et aucun accident n’a eu lieu depuis que cette technologie est appliquée à des véhicules, mais certaines voix soulignent que faire rouler des véhicules pouvant se transformer aussi facilement en bombe présente des risques – ne serait-ce que vis-à-vis du terrorisme.

Des véhicules contraignants, trop chers, à la durée de vie réduite

Cette technologie présente également de fortes contraintes d’utilisation : la pile à combustible ne fonctionne qu’entre 0°C et 80°C, si bien qu’un système de chauffage et de refroidissement doit l’accompagner ; l’oxygène utilisé doit être pur, nécessitant souvent un catalyseur, au coût élevé.

La réaction chimique de la pile à combustible utilise actuellement du platine, un métal noble, presque aussi cher que l’or. La technologie demeure complexe et chère, si bien que le prix d’une voiture particulière à hydrogène approche aujourd’hui les 80 000 euros.

Autre soucis, d’importance, la durée de vie d’une pile à combustible est réduite, à peine plus de 4 000 heures, ce qui nécessite de la remplacer après environ 150 000 kilomètres, pour un coût extrêmement élevé.

Des travaux pour minimiser ces inconvénients

Deux des objectifs majeurs de l’agence européenne qui finance la recherche sur le véhicule à hydrogène sont, en conséquence, d’augmenter cette durée de vie à 6000 heures en 2020 puis à 7 000 heures en 2023, et de faire baisser le prix de ces véhicules à 50 000 euros en 2020, et 30 000 euros en 2023.

Des pistes sérieuses existent pour cela, l’une des clés étant de remplacer le platine par un métal non noble, du fer notamment, ou de limiter drastiquement la quantité de platine utilisé dans le catalyseur de la pile. L’autre est de développer des filières de production centralisées, regroupant plusieurs industriels et constructeurs, afin de faire des économies d’échelle – car le nombre extrêmement réduits de piles et de véhicules produits explique en grande partie leurs coûts élevés.

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Pour la durée de vie, des chercheurs expérimentent des solutions pour réduire l’impact des phénomènes physiques et chimiques qui altère la membrane utilisée par la pile.

Un impact environnemental important, mais qui peut être réduit

L’ultime inconvénient actuel de la pile à combustible est l’hydrogène lui-même. Le composé est certes abondant sur terre, notamment dans l’eau, mais son extraction pose problème. Aujourd’hui la technique privilégiée est le reformage de combustibles fossiles, un procédé peu onéreux, mais qui produit des gaz à effet de serre, oxydes d’azote, monoxyde et dioxyde de carbone. L’impact sur l’environnement de l’utilisation de l’hydrogène est donc réel.

Une autre méthode existe, sans utiliser de gaz naturel : elle consiste à l’extraire par électrolyse de l’eau en utilisant de l’électricité « verte », issue de sources renouvelables comme l’éolien ou le photovoltaïque. Une solution optimale d’un point de vue environnemental, mais qui revient aujourd’hui 30 à 65% plus cher que la production à partir de gaz naturel. Là aussi, la recherche aura un rôle fondamental à jouer, en optimisant le rendement des systèmes électrolyseurs et de stockage de l’hydrogène.

Ainsi, malgré des obstacles conséquents à dépasser, la foi en cette technologie encore très jeune semble au beau fixe. Les chercheurs estiment que plus d’une centaine de milliers véhicules à pile à combustible devraient rouler dans le monde en 2025 : à cette date il est à espérer que la technologie aura atteint la maturité nécessaire pour s’imposer à très grande échelle, et accompagner la voiture électrique dans le progressif (et nécessaire) abandon des véhicules à combustibles fossiles.

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