La mobilité hydrogène face à la concurrence en 2023

Les véhicules à hydrogène – kezako ? Quelles sont toutes les motorisations actuellement disponibles ?

D’ailleurs… nous vous avons légèrement menti. D’un point de vue purement catégorique – le grand public a aujourd’hui accès à non pas 3, mais 4 technologies de motorisation différentes : le moteur dit « thermique », le véhicule électrique, l’engin « hybride », et la voiture à hydrogène.

Le moteur thermique - le vétéran industriel

Commençons par, sans aucun doute, le plus populaire de tous – le moteur « thermique », plus communément désigné dans le milieu automobile comme moteur à explosion, ou à combustion interne.

Ses origines remontent au milieu du 19^ème siècle, et son fonctionnement théorique consiste à prélever de l’énergie sous forme de chaleur, pour générer du mouvement, au travers d’une conversion en énergie mécanique.
Dans les faits, il emploie des réactifs chimiques (un moteur à explosion peut fonctionner avec différents types de carburants : le pétrole – dont l’essence et le diesel ; mais aussi de l’alcool tel que le bioéthanol et d’autres biocarburants ; ou bien même du gaz, dont le GPL entre autres) pour en tirer de l’énergie, grâce à des combustions que l’on qualifie d’explosions.
C’est d’ailleurs pour cette raison que les moteurs thermiques de vos véhicules personnels sont qualifiés de 4 temps (Admission ; Compression ; Combustion ; Échappement).

Ainsi, le moteur à combustion requiert un combustible qui, une fois mélangé à de l’air et mis en contact avec une étincelle provenant d’une bougie, génère une explosion initiale qui va par la suite contribuer à un cycle mécanique autoalimenté au sein du bloc moteur.

Le véhicule électrique, sous le feu des projecteurs

Le véhicule électrique (référencé internationalement comme EV pour Electric Vehicle, ou VE en français) est celui qui a le plus la cote de nos jours, et celui qui est à la bouche de tous les gouvernements.

Le principe est le même que pour les moteurs « essence », mais les étapes ainsi que les éléments mis en jeu pour atteindre cette fin sont bien différents.

Ici, l’objectif est d’employer un ensemble de pièces permettant de convertir de l’électricité en énergie mécanique, de par la mise en place d’un champ magnétique localisé.

Plus question d’explosion ou de réaction chimique – la partie fixe de l’ensemble (le « stator »), de par le champ magnétique qu’il porte en lui, va actionner le mouvement du « rotor ». Les véhicules électriques sont munis de moteurs électriques à courant alternatif AC, qui requièrent un circuit de conversion permettant d’exploiter l’électricité stockée – qui est un courant continu DC.

Les moteurs électriques sont de deux types – asynchrones (« à induction », réservés aux engins prévus pour de longues distances et de grandes vitesses), ou synchrones (dont la vitesse dépend du courant qui alimente le moteur en temps réel – parfait pour les villes, ou la conduite quotidienne).

Le moteur hybride, ou bien la recherche de compromis

Le moteur hybride, quant à lui, est la parfaite synthèse des deux technologies décrites précédemment.

Les véhicules hybrides sont dotés à la fois d’un moteur thermique, et d’un moteur électrique. Le moteur thermique étant réservé pour les longues distances et les vitesses relativement élevées, alors que le moteur électrique pour sa part gère les basses allures de ville, les redémarrages etc… L’ordinateur de bord du véhicule bascule donc automatiquement entre les deux motorisations en fonction du contexte, ou alors emploie les deux en parallèle pour certains cas précis (pleine puissance requise, mode 4 roues motrices forcé…).

Il existe deux types de motorisation hybrides – l’hybride standard (popularisé mondialement par la Toyota Prius, par exemple – la batterie ainsi que le moteur électrique sont parfaitement autonomes), ou l’hybride rechargeable (la voiture est munie du même système de prise électrique que les VE, et requiert d’être branchée pour recharger la partie électrique du véhicule).

L'hydrogène est-il si nouveau que ça ? Non.

Finalement, qu’en est-il du moteur à hydrogène – pourtant au cœur de cet article ?

Comme pour le moteur à explosion, ses origines remontent au 19^ème siècle : à une époque où ne rejeter que de l'eau n'était pas perçu comme éco responsable. Toujours est-il que cette technologie n’est pas née de la dernière pluie.

Les choses se compliquent légèrement, car les moteurs à hydrogène peuvent être de deux types, qui n’ont philosophiquement pas grand-chose à voir.

Dans un premier cas, le moteur à hydrogène peut tout à fait se rapprocher du moteur thermique – fonctionnant de par un principe de combustion interne, alimentée par un réservoir.
Cela étant dit, il peut également se comporter comme une technologie électrique – de par un moteur électrique, relié à une pile à combustible.

Dans les deux cas, le principe de fonctionnement demeure identique : l’oxydation du dihydrogène (H2 – le carburant), par le dioxygène (O2 – le réactif), produit de l’énergie mécanique et rejette de l’eau (H2O).

Le comparo’ ultime – quels sont les avantages et les inconvénients respectifs de chacune de ces technologies ?

En tant que clients et consommateurs, nous sommes absolument en droit de nous demander quelle est in fine la meilleure alternative.

Difficile d’apporter une réponse catégorique, tant chacun de ces choix possèdent des avantages et des inconvénients qui leur sont propres – les rendant ainsi plus propices à certains types d’utilisation, que d’autres.

Si l’on s’attarde en suivant le même ordre que précédemment :

Le moteur à explosion n'a pas dit son dernier mot

Si une métaphore venait à être esquissée, on pourrait tout à fait assimiler une voiture thermique à un complexe système d’horlogerie mécanique.

En effet, un ensemble conséquent de pièces différentes constitue ce type de véhicule (30 000 pièces en moyenne par voiture), et cet ensemble est mutuellement dépendant (impossible de se passer d’une boîte de vitesse, par exemple ; ou d’un démarreur ; ou encore d’une pompe à carburant).

Le moteur à explosion en lui-même est extrêmement complexe : constitué de cylindres (les chambres à combustion de carburant), alimentés par des soupapes, et où se meuvent les pistons – le moteur thermique peut se produire sous bien des configurations différentes (disposition des cylindres en ligne, en V, en W, en « boxer », etc… ; différentes cylindrées ; suralimentation forcée ou aspiration naturelle…). Il s’est également vu, au fil des ans, diversifier au travers de designs novateurs (moteur « Wankel » rotatif, entre autres – popularisé par Mazda notamment, avec ses moteurs Rotary). Au fil des décennies, le moteur thermique a animé les plus grands mythes de l'histoire du monde automobile, et procure encore aujourd'hui une expérience de conduite et des agréments mécaniques véritablement uniques.

Cette épée est donc à double-tranchant : alors que certains y voient une modularité imparable - avec d’innombrables possibilités de customisation ou d’amélioration des performances - couplée à une technologie robuste, fiable et éprouvée dans le temps ; d’autres y voient un talon d’Achilles, où extrême complexité rime avec entretiens récurrents et perpétuels, ainsi que des dépenses accrues.

Le véritable dilemme du moteur thermique a toujours été l’efficacité énergétique. En effet, depuis des décennies durant, les ingénieurs sont à la perpétuelle recherche d’une minimisation des déperditions énergétiques, qui ont lieu lors de l’interaction entre les diverses pièces du système. C’est la raison pour laquelle chaque véhicule possède deux indicateurs de puissance différents, annotés « puissance délivrée au moteur », et « puissance délivrée aux roues ». Il y a une perte de puissance, lors de la transition du moteur aux roues, au niveau du passage par l’arbre de transmission, et la transmission en elle-même (constitués de rouages).

Le moteur thermique est actuellement dans le collimateur non seulement économique, mais aussi environnemental de certains états, notamment européens.

La plupart des véhicules à explosion fonctionnent aux énergies fossiles (du pétrole raffiné, sous forme d’essence ou de diesel), et contribuent grandement aux émissions de gaz à effet de serre (les gaz d’échappement ; et surtout les particules fines liées de manière inhérente au diesel, malgré les solutions de filtrage mises en place – filtres FAP et liquide AdBlue) – à l’heure de la transition énergétique et de la prise de conscience climatique mondiale, tout cela fait tâche. Les énergies fossiles sont aussi de plus en plus onéreuses à l’achat pour les particuliers (environ 1,88€/litre en moyenne en France).

Il est cependant pertinent de relever le fait que certaines grandes marques, telles que Porsche, mènent actuellement des recherches afin de déployer du carburant compatible, écologiquement neutre. Des conglomérats industriels majeurs (Toyota/Mazda/Subaru/Kawazaki/Yamaha) ont de leur côté affirmé une volonté claire d'explorer toutes les possibilités pour transformer le moteur thermique, l'optimiser pour qu'il puisse perdurer – histoire à suivre…

L'électrique - du positif, qui se heurte en ce moment à un obstacle majeur

La motorisation électrique présente plusieurs avantages notoires.

Face au thermique, l’électrique possède un nombre bien inférieur de pièces (environ 50 cette fois-ci, contre plus de 30 000). Les pièces en elles-mêmes sont individuellement plus complexes technologiquement, mais l’ensemble n’en demeure pas pour autant plus compliqué– bien au contraire. Moins de pièces mouvantes entraine moins de casses potentielles, donc moins de problèmes théoriques de fiabilité, ce qui requiert moins d’entretien, et tire par conséquent la note générale à la baisse pour le consommateur.

La modularité est clairement un autre fer de lance de l’électrique – de par leur taille restreinte, leur simplicité fonctionnelle, et leur faculté à parfaitement fonctionner de manière coordonnée, il est beaucoup plus aisé pour les constructeurs d'installer plusieurs moteurs à la fois sur un même véhicule (en effet, certaines voitures ont 1, 2, 3 voir 4 moteurs électriques ; soit installés dans le châssis, soit au niveau de chaque roue), leur permettant d’optimiser au maximum la puissance délivrée par le véhicule au sol. Un débat autour de la fiabilité et de l’aisance de réparation peut toutefois se soulever autour de cet aspect modulaire (en cas de choc plus ou moins léger par exemple), mais réservons cette question à une autre fois.

Contrairement au thermique, et de par leur construction épurée, les blocs propulseurs électriques sont ainsi quasi-dénués de problèmes de déperdition énergétique de puissance motrice. Les véhicules électriques jouissent donc d’un couple ainsi que d’une puissance instantanés, garantissant d’excellentes reprises et accélérations. Cela est notamment dû au fait que l’électrique n'a pas besoin de système de transmission (les véhicules électriques n’ont pas de vitesses ; Lexus travaille actuellement sur un système de boîte de vitesse manuelle physique destinée à l’électrique, mais c’est bien plus pour une question de ressenti d’utilisation, que pour une nécessité mécanique).

L’habitabilité à bord s’en retrouve renforcée – un moteur qui prend moins de place signifie plus de volume de coffre, et la disparition des ponts de transmission entre les jambes du passager assis au milieu à l'arrière du véhicule.

Les moteurs électriques sont aussi parfaitement mécaniquement réversibles – ce qui signifie qu’en période de décélération, ils sont capables de transformer de l’énergie mécanique en énergie électrique régénératrice.

De par son fonctionnement, le moteur est de facto écologiquement propre – en effet, il ne produit aucun gaz d’échappement, ce qui lui permet lors de son utilisation d’afficher un parfait score de 0g/CO2 par kilomètre.

Malgré ces beaux avantages indéniables, la motorisation électrique d’aujourd’hui doit cependant faire avec quelques points noirs notables que nous ne pouvons ignorer.

Le premier gros frein à l’adoption de l’électriquese situe au niveau des batteries actuellement utilisées (les batteries sont nécessaires pour pouvoir stocker l’électricité, indispensable au fonctionnement du moteur). Ces dernières sont au Lithium, et ne sont donc pas épargnées par les problèmes inhérents à la technologie – vieillissent mal avec déperdition de capacité ; doivent être remplacées de manière cyclique ; sont coûteuses ; difficulté de les recycler (même si Tesla par exemple encourage la réutilisation de ses batteries usagées) ; utilisent des minerais rares…

Toujours lié aux batteries actuelles, le second gros frein réside au niveau de certaines caractéristiques des véhicules.
Même lorsque ces derniers sont munies de batteries haute capacité, l’autonomie des voitures électriques actuelles est bien inférieure à celles de leurs homologues thermiques, et notamment hydrogènes. Chose inédite – l’autonomie est désormais dépendante du climat, avec des températures froides faisant chuter d’environ 15% les autonomies constructeur annoncées.
La vitesse de recharge est également problématique – une recharge prenant largement plus de temps qu’un plein.
Les batteries au lithium sont aussi extrêmement lourdes : il n’est pas rare de voir des SUVs électriques frôler la ligne des 2.5t, et la maniabilité générale, au même titre que les systèmes de freinage sont les premiers à en pâtir.

L’entretien devient par la même bien plus complexe – sur de l’électrique, difficile de faire des réparations seul chez soit sans l’équipement de pointe requis, et il n'est pas aisé de trouver, partout, des garagistes capables de prendre en charge ces technologies.

Toyota planche actuellement sur un grand projet de batteries « Solid State » novatrices de nouvelle génération – peut-être arriveront-ils à changer la donne, et rendre caducs ces défauts… Affaire également à suivre.

Finalement, une grande question se pose quant à la production de l’électricité requise, ainsi que vis-à-vis des infrastructures actuellement disponibles pouvant accommoder ces véhicules. Si l’on jette un œil au mix énergétique mondial en 2023 – on se rend vite compte que l’électricité n’est pas toujours produite de manière écologique, et les bornes de recharge sont loin d'être aussi nombreuses que les stations-essence (même si la situation tend rapidement à changer) – un long voyage peut vite se transformer en casse-tête.

L'hybride - un résultat en demi-teinte

En 2023, l’hybride pur (tel que décrit plus haut) semble incarner le meilleur des 2 mondes – en essayant de mêler l’ensemble des avantages des 2 technologies, tout en minimisant leurs inconvénients respectifs.

En termes de performances brutes, c’est le système privilégié pour la grande majorité des compétitions automobiles (F1, LeMans, WRC), ainsi que pour les plus grandes marques de prestige qui l’adoptent en masse (Porsche, Ferrari, Lamborghini…).

Toutefois, l’hybride rechargeable en particulier semble de plus en plus être remis en cause – faute à une grande inefficience.
Le poids est largement supérieur au thermique, et si l’utilisateur oublie de recharger manuellement la batterie chez lui, la partie électrique du véhicule est rendue absolument inopérante – ce qui résulte en des consommations largement supérieures, et en des performances en-deçà du thermique et de l’électrique.

L’hybride est finalement frappé par les mêmes problèmes de complexité à la réparation que l’électrique – pas aussi facile, ni largement répertorié que le thermique.

L'hydrogène - un avenir mécaniquement plus que prometteur, encore limité par les technologies énergétiques de notre temps

Terminons par l’hydrogène.

Parmi les deux variantes de moteur à hydrogène possibles, la variante munie d’une pile à combustible semble prendre l’avantage.

En effet, les moteurs thermiques à piston habituels sont peu efficaces vis-à-vis de l’hydrogène, cela dit, d’autres variantes plus efficaces restent disponibles (moteurs rotatifs) quoi que plus complexes.
Une pile à combustible, quant à elle, est un générateur énergétique fonctionnant par oxydo-réduction - permettant de transformer l’hydrogène, en électricité pour alimenter un moteur électrique. On se rapproche donc parfaitement d’un véhicule électrique, mais sans sa batterie – qui revêt aujourd’hui, et de loin, un de ses principaux défauts.

L’utilisateur se retrouve donc avec un ensemble muni d’un temps de recharge rapide (équivalent en durée d’un plein habituel, versus le temps de recharge de la batterie), avec une meilleure durée de vie matérielle théorique que l’électrique (pas de batterie lithium) tout en conservant sa souplesse et son efficacité mécanique, et avec une autonomie par plein frôlant celle du thermique voire la dépassant (cf. record du monde sur une Toyota Mirai).

L’hydrogène est également tout aussi écologiquement propre (au moment de son utilisation) que son équivalent électrique, car il ne rejette que de l’eau sous forme de vapeur dans l’atmosphère.

Le seul défaut majeur, aujourd’hui, du véhicule à hydrogène – relève de l’hydrogène en lui-même, et du niveau d’infrastructure mondial actuel.
L’hydrogène est très complexe à produire, et tout aussi difficile à stocker de manière durable et fiable.
Le dihydrogène étant très rare à l'état naturel sur Terre, il doit obligatoirement être produit à partir d’une autre source d’énergie.
Une fois produit – il est hautement instable, inflammable et explosif au contact de l’oxygène.
L’hydrogène est aussi très volatil, et fuyant – ce qui rend son stockage localisé compliqué : son niveau de compression demande beaucoup de précision, et malgré le fait que d'autres techniques de stockage dites "d'absorption" progressent, elles n'en demeurent pas moins trop immatures.

Ainsi – l’hydrogène coûte cher.
La pile à combustible est de loin l’élément le plus coûteux (à l’acquisition, ainsi qu’à l’entretien) du véhicule à hydrogène, et le transport-même du dihydrogène est très coûteux (deux fois plus que celui du gaz naturel, si bien que 80 % du prix à la pompe est dû au stockage, au transport et à la distribution).

Alors que les stations de recharge à hydrogène sont en plein essor en France et en Europe (cf. celle à Porte de St-Cloud, à Paris), le même problème de disponibilité que pour l’électrique demeure. Finalement, et là continue le parallélisme avec l’électrique – de par la nouveauté et la complexité de la technologie, le véhicule en question n’est toujours pas aussi accessible, ni économique d’entretien qu’un homologue thermique classique.

Quel avenir pour l'hydrogène ?

L’hydrogène apparaît comme une solution d’avenir, avec de très bons et lourds arguments en sa faveur.
Malgré une amélioration rapide et continue, impossible d’ignorer que la technologie n’en est encore qu’à ses débuts, et nécessite beaucoup de développement supplémentaire afin de devenir parfaitement viable.

Qu’en est-il, justement ?

L'hydrogène pour l'automobile

Cela fait des années que des grandes marques entreprennent des recherches au niveau du véhicule à hydrogène. Quelques exemples, parmi tant d’autres :
- Aston Martin avec sa Rapide S Hybrid Hydrogen ayant effectué quelques tours de piste sur le Nürbürgring allemand en 2013,
- BMW sortait, à la fin des années 2000s, sa Hydrogen7,
- Mazda, avec sa sportive RX-8 H2 au moteur rotatif hydrogène, ou bien avec sa MX-5 Hydrogen 2 remontant à 1993.

De nos jours, les recherches et les expérimentations se poursuivent :
- Stellantis produit des utilitaires hydrogènes pour le grand public,
- Toyota en est à sa 2^ème génération de sa Mirai, disponible pour Monsieur & Madame "presque" tout le monde (70K€), qui est d’ailleurs un succès certain pour les taxis de standing parisiens,
- Toujours Toyota, qui fait participer ses nouvelles sportives Corolla et Yaris GR H2 au sein de championnats internationaux (mais surtout japonais),
- Les 24Heures du Mans accueillent chaque année avant la course des hypercars hydrogènes
- La FIA se penche sérieusement sur la question pour la F1, comme solution d’avenir potentielle parmi plusieurs choix suggérés,
- BMW a récemment déployé sa IX5 Hydrogen en phases de tests. Le PDG de la marque affina également sa stratégie court-terme sur le sujet.

Le « retrofitting » est par la même très intéressant. Du fait de sa compatibilité avec les moteurs thermiques à explosion, l’hydrogène s’avère être un choix tout à fait pertinent pour effectuer des conversions d’autos plus anciennes et/ou de collections ; ce qui permet de faire perdurer des mythes, et évite au monde de se retrouver avec des flottes entières de véhicules potentiellement inutilisables et destinés à la casse.

L'hydrogène dans les autres secteurs

La motorisation hydrogène accumule également beaucoup d’intérêt, de recherches, et d’investissements pour des applications commerciales (dans le domaine de la logistique pour les poids lourds, avec Volvo, Scania, Mercedes-Benz, Man, SEA, Freightliner… ; ou même dans l'aviation, chez Boeing, Rolls-Royce, Airbus…).

En effet, pour ce genre d'applications, la technologie hydrogène apporte des qualités indéniables (notamment d'un point de vue émissions de CO2, d'autonomie, ou encore de performances sous charge & sur le long-terme), proches du thermique, mais pour l'instant difficilement atteignables par les autres motorisations.

L'hydrogène, énergétiquement parlant

De nouvelles techniques de stockage et de transport sont en cours de développement.
De même pour un réseau massif de stations de recharge à hydrogène.
Mais réservons clairement tout cela pour un autre article.

Aussi bien en tant que consommateurs, qu’en tant qu’amateurs, nous vivons une période réellement unique au sein de l’industrie automobile. Plusieurs technologies de motorisations mènent une guerre sans relâche, afin d’essayer d’installer une suprématie ainsi qu’un standard pour les décennies à venir. La vérité étant cependant qu’aucune de ces alternatives n’est réellement parfaite, rendant ainsi le choix peu évident. L’hydrogène, tout comme l’électrique, l’hybride (et même le thermique, dans une certaine mesure, qui ne lâche rien) présente de solides arguments en sa faveur. Il nécessite toutefois encore beaucoup de recherches, d’investissements et d’améliorations afin de devenir pleinement accessible. Au jour de la prise de conscience climatique, et de la transition énergétique – peut-être que le monde se hâte trop, et se pose les mauvaises questions, en essayant de dégager une unique solution d’avenir. La meilleure idée serait ainsi probablement de jouer des forces de chacune de ces technologies, pour les dédier à des applications diverses : donnant naissance à un véritable mix énergétique optimisé automobile, la solution unique et parfaite étant utopique.

@ Julien Duquesne, pour SEFE Energy France, Août 2023