Moteur à hydrogène : indispensable pour décarboner les transports ?

Cet article fait par­tie du numé­ro de notre maga­zine Le 3,14 dédié à l’hydrogène. Décou­vrez-le ici

La pos­si­bi­li­té de brû­ler de l’hydrogène, ou des déri­vés comme l’ammoniac, dans les moteurs connaît un regain d’intérêt. Ces moteurs peuvent répondre, par­mi d’autres tech­no­lo­gies, à l’urgence de décar­bo­ner camions, bateaux ou avions.

Le moto­riste Cum­mins teste un moteur de poids lourd à hydro­gène, Renault Trucks déve­loppe le sien avec l’Institut Fran­çais du pétrole des éner­gies nou­velles (IFPEN), Air­bus a annon­cé un avion à hydro­gène pour 2035, qui pour­rait être entraî­né par une tur­bine à gaz modi­fiée. Autant d’annonces qui sug­gèrent que le bon vieux moteur ther­mique n’est pas mort, et qu’il a même, en décar­bo­nant son car­bu­rant, un rôle à jouer dans l’atteinte des objec­tifs de neu­tra­li­té cli­ma­tique du trans­port longue dis­tance d’ici 2050.

L’hydrogène, molé­cule dense en éner­gie, peut en effet être pro­duite de façon « propre » par élec­tro­lyse de l’eau, avec de l’énergie d’origine renou­ve­lable ou nucléaire. Quant aux bat­te­ries élec­triques, qui consti­tuent désor­mais la voie royale pour décar­bo­ner les voi­tures indi­vi­duelles, elles manquent d’autonomie sur le seg­ment des véhi­cules lourds : « Des bat­te­ries peuvent ali­men­ter des bus ou des four­gons de livrai­son en ville qui récu­pèrent l’énergie au frei­nage et qui peuvent se rechar­ger fré­quem­ment. Mais pas un poids lourd, qui même avec les super­char­geurs de 350 kW devrait pas­ser plus d’une heure en recharge tous les 300 km », expose Gaé­tan Mon­nier, direc­teur du Centre de résul­tats trans­ports à l’IFPEN. Dans le cadre de sa « stra­té­gie de l’hydrogène pour une Europe cli­ma­ti­que­ment neutre » de 2020, l’Union euro­péenne a ain­si vali­dé l’objectif des indus­triels de faire rou­ler d’ici 2030 cent mille camions à l’hydrogène décar­bo­né, sur les 3 mil­lions de camions qui par­courent l’Eu­rope. « Ini­tia­le­ment, l’objectif était de consom­mer cet hydro­gène dans des piles à com­bus­tible, sys­tème qui pro­duit de l’électricité pour ali­men­ter ensuite un moteur élec­trique. Mais l’idée de brû­ler l’hydrogène direc­te­ment dans des moteurs ther­miques connaît un regain d’intérêt depuis quelques années chez les cher­cheurs et les indus­triels », sou­ligne le spécialiste.

C’est une solu­tion low cost pour décar­bo­ner les transports.

Elle pré­sente en effet plu­sieurs avan­tages. D’abord, brû­ler de l’hydrogène dans un moteur à com­bus­tion ne néces­site que des ajus­te­ments : « Il faut inté­grer des métaux capables de tenir de plus hautes tem­pé­ra­tures et un sys­tème d’injection adap­té à ce car­bu­rant très vola­tile, revoir le contrôle de la com­bus­tion, dont les carac­té­ris­tiques sont très dif­fé­rentes de celle du die­sel… Mais ce ne sont en aucun cas des rup­tures tech­no­lo­giques », assure Luis Le Moyne, direc­teur de l’ISAT. Ensuite, cette solu­tion per­met­trait aux fabri­cants de conser­ver leur chaîne de fabri­ca­tion et ain­si de ne pas trop aug­men­ter leurs prix. « C’est une solu­tion low cost pour décar­bo­ner les trans­ports », conclut-il.

Par com­pa­rai­son, les piles à com­bus­tibles (PàC) ne sont pas encore fabri­quées à grande échelle et contiennent du pla­tine, un métal rare… ce qui enché­rit consi­dé­ra­ble­ment le coût d’achat du véhi­cule. « Leur durée de vie étant pour l’instant limi­tée, il faut aus­si pré­voir un rem­pla­ce­ment de la PàC dans le cycle de vie du véhi­cule », ajoute Gaé­tan Mon­nier. La PàC peut néan­moins offrir de meilleurs ren­de­ments éner­gé­tiques (65 % maxi­mum) que le moteur à hydro­gène (45 % maxi­mum). Quelle solu­tion l’emportera ? Ce n’est pas clair aujourd’hui : « Le moteur à hydro­gène appa­raît moins cher à l’investissement, mais poten­tiel­le­ment légè­re­ment plus gour­mand en car­bu­rant sur le cycle de vie du véhi­cule. Les deux pour­raient donc avoir leur per­ti­nence éco­no­mique en fonc­tion de l’usage pré­vu du véhi­cule », résume le chercheur.

Côté aérien, là encore, le match PàC ver­sus tur­bine à gaz bat son plein. Pour faire décol­ler un avion à hydro­gène d’ici 2035, Air­bus teste actuel­le­ment les deux solu­tions. Cepen­dant, « le défi ne réside pas tant dans la pro­pul­sion que dans le sto­ckage de l’hydrogène à bord, qui devra se faire à l’état liquide, sa forme la plus com­pacte », pointe Cédric Phil­li­bert, ancien ana­lyste à l’Agence inter­na­tio­nale de l’énergie (AIE). Même ain­si, l’hydrogène occupe quatre fois plus d’espace que le kéro­sène et doit être main­te­nu à la tem­pé­ra­ture extrê­me­ment basse de ‑253 °C. Avec une consé­quence impor­tante : le réser­voir d’hydrogène liquide, de forme sphé­rique ou cylin­drique – pour limi­ter au maxi­mum les pertes ther­miques – ne peut pas se loger dans les ailes de l’appareil… ce qui oblige à le pla­cer dans le fuse­lage et donc à réin­ven­ter tota­le­ment l’appareil ! C’est pour­quoi, en paral­lèle, les construc­teurs étu­dient la pos­si­bi­li­té de brû­ler dans les tur­bines actuelles un déri­vé de l’hydrogène plus « pra­tique » : du car­bu­rant de synthèse.

Ce car­bu­rant, strict équi­valent décar­bo­né des kéro­sènes actuels, peut être fabri­qué à par­tir d’hydrogène décar­bo­né et de CO₂ cap­tu­ré dans l’atmosphère, selon le pro­cé­dé appe­lé Fischer-Tropsch. Mal­gré l’efficacité éner­gé­tique déplo­rable de l’opération – un ren­de­ment du puits à la roue de 15 % contre 30 % pour l’hydrogène –, elle offre un argu­ment de poids : « Il n’oblige pas à réin­ven­ter les avions ni les infra­struc­tures aéro­por­tuaires », fait valoir l’expert. Les car­bu­rants de syn­thèse s’avèrent bien plus faciles à trans­por­ter que le très vola­tile hydro­gène. « On pour­rait donc en impor­ter depuis des pays dotés de forts poten­tiels en éner­gies renou­ve­lables, capables de pro­duire mas­si­ve­ment l’hydrogène sur place », pour­suit-il. C’est exac­te­ment le plan de Porsche qui a débu­té la construc­tion d’une usine de « eFuel » au Chi­li en 2021.

Une réflexion simi­laire anime le sec­teur des trans­ports mari­times. Dans le domaine des bateaux longue dis­tance, la com­bus­tion de l’hydrogène, un temps envi­sa­gée, semble aujourd’hui délais­sée au pro­fit d’un proche cou­sin, l’ammoniac. De for­mule NH₃, ce gaz peut là encore être fabri­qué de façon neutre à par­tir d’hydrogène décar­bo­né et d’azote (N₂) selon le pro­cé­dé Haber-Bosch. Avec un avan­tage : « Les infra­struc­tures por­tuaires sont déjà conçues pour mani­pu­ler ce gaz, liquide à ‑33,5°C, qui entre notam­ment dans la fabri­ca­tion des engrais indus­triels », explique Fran­çois Kalayd­jian, direc­teur Éco­no­mie et Veille à l’IFPEN. Mais là encore, la par­tie n’est pas jouée : l’ammoniac est un gaz toxique dont la mani­pu­la­tion néces­site des pré­cau­tions. Un autre déri­vé d’hydrogène décar­bo­né et de CO₂, le métha­nol, est donc en licepour brû­ler dans les impo­sants moteurs à deux temps des cargos.

Toutes les tech­no­lo­gies seront néces­saires pour décar­bo­ner les trans­ports de façon réaliste.

Moteurs à hydro­gène ou piles à com­bus­tible ; car­bu­rants de syn­thèse, ammo­niac, métha­nol… de nom­breuses options sont ain­si sur la table pour décar­bo­ner l’ensemble des trans­ports longue dis­tance. « Au contraire de l’automobile grand public où la bat­te­rie élec­trique va s’imposer, l’avenir du sec­teur ne sera pas ‘mono-tech­no­lo­gique’. La décar­bo­na­tion y est plus dif­fi­cile, et les usages plus divers », résume Gaé­tan Mon­nier. Si l’avenir n’appartient donc pas inté­gra­le­ment au moteur à hydro­gène et à ses déri­vés, « Il fait bien par­tie du bou­quet de solu­tions qui per­met­tront de rele­ver le défi ».

Une conclu­sion à rebours de celle d’associations envi­ron­ne­men­tales, comme Trans­port & Envi­ron­ne­ment, qui plaident pour l’élec­tri­fi­ca­tion inté­grale du trans­port routier. La Com­mis­sion Euro­péenne devrait tran­cher ce débat début 2023. Elle doit en effet revoir la défi­ni­tion des « véhi­cules zéro émis­sion », qui se résu­mait jusqu’ici à un niveau d’émission à l’échappement de moins d’un gramme de CO₂ par kilo­mètre. « Si ce cri­tère est main­te­nu, on ne sait pas si des moto­ri­sa­tions ther­miques uti­li­sant un com­bus­tible sans car­bone comme l’hydrogène ou l’ammoniac pour­ront y pré­tendre, car ces moteurs brûlent mal­gré tout une petite quan­ti­té d’huile. Or les infimes émis­sions de CO₂ qui en résultent sont dif­fi­ciles à quan­ti­fier », sou­ligne Gaé­tan Mon­nier. « Un aban­don du prin­cipe de neu­tra­li­té tech­no­lo­gique serait dom­ma­geable, car toutes les tech­no­lo­gies seront néces­saires pour décar­bo­ner les trans­ports de façon réa­liste », conclut Fran­çois Kalaydjian.

Hugo Leroux