Le monde automobile est en pleine transformation, avec l’objectif de neutralité carbone d’ici à 2050. Pour répondre à cet objectif, de nouvelles mobilités émergent, dont la voiture à hydrogène, qui représente l’un des avenirs automobiles possibles.
Qu'est-ce qu'une Voiture à Hydrogène ?
La mécanique d'une voiture à hydrogène est simple : elle roule grâce à l’électricité générée par une pile à combustible, le combustible étant l’hydrogène. Le moteur est alimenté par une batterie électrique, ce qui en fait une voiture électrique. Elle émet de la vapeur d’eau, car l’eau (H₂O) est un mélange d’atomes d’hydrogène (H) et d’oxygène (O).
La NASA utilise l’hydrogène sous forme liquide et en piles depuis des décennies pour ses fusées. Cependant, il a fallu attendre 2015 et le lancement de la Toyota Mirai pour que le grand public accède aux véhicules à hydrogène.
Comment Fonctionne le Ravitaillement ?
Pour recharger une voiture à hydrogène, il faut oublier que c’est une électrique. Sur ce point, elle ressemble aux thermiques et aux hybrides, car elle ne se recharge pas avec un câble, mais se ravitaille comme avec un carburant classique. Il suffit de trouver une station à hydrogène. En quelques minutes, votre voiture est rechargée.
Voiture à Hydrogène vs Voiture Électrique : Les Différences
Techniquement, une voiture à hydrogène est une voiture électrique. Voici les principales différences :
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- Bilan carbone : La voiture à hydrogène n’émet pas de carbone en roulant, mais sa fabrication en génère.
- Prix : L’avantage va à la voiture électrique, en raison de son offre plus diversifiée. La voiture à hydrogène la moins chère coûte 72.250 EUR en France (Toyota Mirai, prix catalogue en 2024).
Production d'Hydrogène
L’hydrogène (H) est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers. Sur Terre, il est rare (0,22 %) et n’existe presque pas dans sa forme pure. Il faut donc fabriquer le carburant en séparant les atomes H de molécules qui en contiennent. Cette opération consomme de l’énergie.
Actuellement, la fabrication de l’hydrogène se fait principalement par vaporeformage de gaz naturel. Le hic, c’est que cette technique émet presque autant de CO2 qu’une voiture qui consommerait directement du LPG. La technique par électrolyse, avec de l’électricité d’origine verte, permettrait de produire de l’hydrogène écologique.
Exemples de Voitures à Hydrogène
Plusieurs constructeurs proposent des véhicules à hydrogène :
- Hopium Machina Vision : Première voiture à hydrogène française, avec un moteur de 500 chevaux, une autonomie de 1000 kilomètres et une recharge en 3 minutes.
- Hyundai Nexo : SUV à hydrogène coréen, avec une autonomie de 666 km et des équipements performants.
- Toyota Mirai : Pionnière, avec une autonomie annoncée de 650 km et une recharge en 5 minutes.
- NAMX HUV : Concept innovant de capsules à hydrogène.
- BMW iX5 : SUV à hydrogène avec une autonomie de 500 km.
Prix et Autonomie
En 2025, le prix du kilo d’hydrogène variera de 10 à 15 EUR. Un plein représentant de 5 à 7 kg, le prix du plein d’hydrogène ira de 50 à 105 EUR. L’autonomie des véhicules à hydrogène est d’environ 650 km pour un modèle standard.
Pile à Combustible : Les Notions de Base
Une pile à combustible est une solution de conversion électrochimique. Elle repose sur une réaction d’oxydoréduction spéciale, appelée électrolyse inversée. Elle convertit l’énergie contenue dans le combustible pour en faire de l’électricité.
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Tout commence par une électrode alimentée en dihydrogène, et une autre en dioxygène. S’en suit un mécanisme d’électrolyse inversée, qui consiste à retirer des électrons au dihydrogène pour fournir au moteur l’électricité dont il a besoin pour tourner.
Les Différentes Technologies de Piles à Combustible
Il existe plusieurs types de piles à combustible :
- AFC (Alcaline Fuel Cells)
- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells)
- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells)
- SOFC (Solid Oxide Fuel Cells)
Chacune de ces technologies a des caractéristiques techniques différentes en termes de température d’utilisation, puissance délivrée, rendement et durée de vie.
Stockage de l'Hydrogène
Après avoir fabriqué le dihydrogène, il faut le stocker dans le réservoir de la voiture. Trois solutions se présentent :
- Le gaz comprimé (la plus utilisée actuellement)
- Le liquide cryogénique
- Le métal hybride
Analyse du Cycle de Vie
L’analyse du cycle de vie est une méthode normalisée pour mesurer l’impact environnemental des véhicules. Une étude montre que la voiture à batterie (BEV) est 27% plus économe sur toute sa durée de vie que la voiture à hydrogène (FCEV). Pour autant, les véhicules à hydrogène présentent une meilleure efficacité énergétique globale que les véhicules à essence (ICEVG).
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Les véhicules à batterie devancent les véhicules à hydrogène sur le changement climatique et la formation d’ozone. Dans l’écrasante majorité des scénarios étudiés, les véhicules à batterie devancent les véhicules à hydrogène en termes d'émissions de gaz à effet de serre.
Coût Total de Propriété (TCO)
Le coût à l’usage est beaucoup plus intéressant pour les véhicules électriques à batterie. L’hydrogène coûte aujourd’hui entre 10 et 12 € le kilogramme à la pompe, tandis que le prix de l’électricité est très variable : 0,140 €/kWh à la maison et 0,9 €/kWh aux bornes de recharge rapide.
Moteur à Hydrogène vs Pile à Combustible
En matière de décarbonation des transports, l’hydrogène est appelé à jouer un rôle clé. Deux technologies se déclinent : la pile à combustible et le moteur à combustion d’hydrogène.
- Pile à Combustible : Génère de l’électricité qui alimente un moteur électrique.
- Moteur à Combustion d’Hydrogène : Moteur modifié pour accepter de l’hydrogène en carburation.
Le tableau suivant résume les avantages et inconvénients de chaque technologie :
| Technologie | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Pile à Combustible | Moins de frictions, propulsion plus efficace | Difficulté de transformation des flottes existantes, coût élevé des premiers modèles, faible densité des stations services hydrogène |
| Moteur à Combustion d’Hydrogène | Facile à convertir les flottes existantes, moins sensible à la qualité de l'hydrogène | Moins "vert" que les systèmes à pile à combustible, manque d'infrastructures de ravitaillement |
Toyota Mirai : Étude de Cas
La Toyota Mirai impressionne par son design élégant, adoptant un style coupé quatre portes. Elle utilise une pile à combustible qui transforme l’hydrogène en électricité, offrant une motorisation 100 % électrique avec un moteur de 182 chevaux.
Le système repose sur :
- Trois réservoirs d’hydrogène haute pression.
- Une batterie tampon de 1,2 kWh.
- Une pile à combustible compacte de 52 kg.
Cela garantit une autonomie annoncée de 450 km pour une consommation moyenne de 1,24 kg d’hydrogène aux 100 km. Le plein prend environ 4 minutes.
L’habitacle de la Mirai surprend par son niveau de finition, mais l’habitabilité reste décevante, avec peu de place aux jambes à l’arrière et un coffre limité à 273 litres.
Sur la route, la Toyota Mirai offre une expérience proche d’une berline électrique, avec des accélérations linéaires et une conduite silencieuse. Cependant, le 0 à 100 km/h s’effectue en 9 secondes, et la vitesse maximale plafonne à 175 km/h.
L’un des principaux défis reste l’accès aux stations hydrogène, encore rares en France. Le plein coûte environ 12 euros par kilo, portant le coût total à près de 67 euros pour une autonomie de 450 km.
La Toyota Mirai est proposée à partir de 67 900 euros en entrée de gamme. Ce tarif élevé, associé à une infrastructure hydrogène encore limitée, soulève des questions sur l’intérêt de ce type de motorisation pour les particuliers.
Avantages et Inconvénients de la Toyota Mirai
- Avantages : Recharge rapide, conduite silencieuse et fluide, zéro émission locale.
- Inconvénients : Prix élevé, autonomie limitée, infrastructure hydrogène quasi inexistante.
La technologie hydrogène présente un intérêt certain pour des véhicules comme les camions ou les bateaux, capables d’exploiter de grandes capacités de stockage pour de longues distances. En revanche, pour les voitures particulières, l’équation reste complexe.
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