Les véhicules à hydrogène pourraient représenter l’avenir du transport – Existe-t-il des raisons de s’inquiéter de la sécurité ?

Les véhicules à hydrogène ou les véhicules à pile à combustible alimentés à l’hydrogène sont apparus comme un phénomène depuis 2015. Bien qu’il soit trop tôt pour prédire l’avenir des véhicules à hydrogène, il ne fait aucun doute que l’intérêt à leur égard a été palpable mais fluctuant. 

Entre 2022 et 2023, le nombre de véhicules électriques à pile à combustible alimentés à l’hydrogène a connu une baisse, passant de 20 704 à 14 451. Une baisse annuelle n’est pas suffisante pour établir une tendance de l’intérêt des consommateurs pour les véhicules à hydrogène. Mais les débats existent des deux côtés. Bien qu’il y ait de nombreux avantages à un véhicule à hydrogène, les discussions sur la sécurité d’un tel véhicule sont également nombreuses. Dans les sections suivantes, nous examinerons ces deux aspects des véhicules à hydrogène. 

L’unicité des véhicules à hydrogène

Bien qu’ils soient des VE, les véhicules à hydrogène n’ont pas besoin de batteries intégrées. Ils possèdent leur propre centrale à bord, capable de convertir l’hydrogène du réservoir en électricité. Les voitures à hydrogène roulent avec zéro émission locale. 

Cependant, le plus grand avantage qu’ils offrent – jusqu’à présent – est le temps de ravitaillement court. Contrairement aux autres véhicules électriques, la recharge des véhicules à hydrogène n’est pas fonction du modèle du véhicule et de l’infrastructure. Elle possède une longue capacité de stockage, et son autonomie n’est pas dépendante de la température extérieure, éliminant ainsi le risque de détérioration par temps froid. 

L’hydrogène est également un moyen très efficace de stocker et de transporter l’énergie renouvelable, et son adoption contribue à réduire les coûts à long terme. 

Alors que les avantages sont évidents pour tous, certaines études soulignent également son potentiel de risque et de dommages. Nous examinerons aujourd’hui un cas où une équipe de l’Université technique de Graz a analysé le risque et le potentiel de dommages des véhicules à hydrogène dans les tunnels. L’étude a également formulé quelques recommandations. 

Le risque et le potentiel de dommages des véhicules à hydrogène : comment minimiser les risques

Under its HyTRA project, the Graz University of Technology has investigated several aspects that could prove risky. The study assessed possible incident types, dangers to people, and the tunnel structure and recommended measures that could be taken to minimize these risks.

Alors que les chercheurs ont déterminé que la probabilité d’accidents impliquant des véhicules à hydrogène dans un tunnel est faible, la haute densité énergétique de l’hydrogène et sa pression de stockage importante font de ces VFC alimentés à l’hydrogène un risque significatif de dommages étendus.

Le stockage de l’hydrogène dans les réservoirs de voiture à une pression de 700 bar pourrait entraîner une libération rapide d’une grande quantité d’énergie. S’il s’enflamme, l’hydrogène pourrait brûler à des températures supérieures à 2000 degrés Celsius. Les fabricants conçoivent les réservoirs de carburant pour qu’ils soient robustes et bien protégés contre les impacts mécaniques ; cependant, ils sont insuffisants dans des situations telles que les collisions arrière avec de gros camions.

Il existe globalement trois scénarios dangereux qui pourraient résulter d’une telle collision.

Dans le premier cas, le dispositif de décharge de pression thermique (TPRD) pourrait s’activer lorsque la pression augmente suite à un impact thermique, libérant de l’hydrogène du réservoir sous forme de jet contrôlé. Ce mécanisme aide à maintenir la pression à un niveau sûr, évitant la rupture du réservoir. Cependant, cela peut encore représenter un danger si l’hydrogène libéré se mélange à l’air et s’enflamme. Néanmoins, la zone de danger resterait confinée.

Ce scénario s’aggrave si le dispositif de décharge de pression thermique échoue, pouvant entraîner l’explosion du réservoir. L’onde de choc résultante pourrait se propager dans tout le tunnel. Le risque de mortalité s’étendrait jusqu’à environ 30 mètres, tandis que la probabilité de blessures internes graves s’étendrait jusqu’à 300 mètres. Plus loin, il existe toujours le risque de tympans perforés.

Dans le troisième scénario, le moins probable de tous, l’hydrogène est d’abord libéré sans s’enflammer. Étant l’élément le plus léger du tableau périodique, le gaz monte et s’accumule en nuage sous le plafond du tunnel. Si une source d’ignition, telle que des lampes chaudes ou une impulsion électrique, est présente, elle pourrait déclencher une explosion du nuage d’hydrogène, générant une onde de choc importante.

Les enquêteurs du scénario de risque ont proposé un ensemble de stratégies d’atténuation. L’équipe a suggéré la mise en place de limites de vitesse plus strictes, surveillées via le contrôle de section. Ils ont également recommandé des stratégies de contrôle de distance précises, soutenues par un mécanisme de signalisation robuste pour alerter les conducteurs lorsqu’ils suivaient trop près.

En discutant des risques et du potentiel de dommages des véhicules à hydrogène, l’équipe de TU Graz n’a pas oublié de mentionner le contexte dans lequel ils opèrent et la façon dont leur risque et potentiel de dommages sont mesurés.

« Les réservoirs d’hydrogène modernes sont construits si sûrement qu’il faut qu’un grand nombre de choses tournent mal pour que l’hydrogène s’échappe. »

– Daniel Fruhwirt, Institut de Thermodynamique et Systèmes de Propulsion Durable à TU Graz

L’impulsion vers les véhicules à hydrogène

Les chercheurs prévoient une hausse significative de l’adoption des véhicules à hydrogène dans les années à venir. Les chercheurs et analystes de l’industrie estiment que le nombre de véhicules à hydrogène en service dans le monde dépassera un million en 2027, contre un peu plus de 60 000 en 2022, représentant une augmentation de plus de 1 500 %. Le marché des consommateurs devrait être le segment principal dans le domaine des véhicules à hydrogène, représentant plus de 60 % d’ici 2027.

Il existe des initiatives gouvernementales qui promeuvent les véhicules à pile à combustible. Par exemple, le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, une unité du Département de l’Énergie, a lancé H2USA en 2013. Dans leur déclaration officielle, les autorités gouvernementales ont déclaré ce qui suit à propos de la mission de H2USA :

« La mission de H2USA est de promouvoir l’introduction et l’adoption généralisée des véhicules électriques à pile à combustible à travers les États-Unis. Les membres comprennent les agences fédérales, l’association professionnelle des piles à combustible, les constructeurs automobiles, les fournisseurs d’hydrogène, les développeurs de piles à combustible, les laboratoires nationaux et d’autres parties prenantes. La collaboration offre une plateforme pour les États-Unis similaire aux collaborations public-privé dans d’autres pays axées sur l’hydrogène, notamment l’Allemagne, le Japon et le Royaume-Uni. »

Il est rapporté que H2USA compte désormais plus de 30 participants.

En dehors des initiatives gouvernementales, de nombreuses recherches d’amélioration des performances sont en cours, aidant à susciter l’intérêt et la confiance des consommateurs potentiels pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène.

Par exemple, une étude récente menée par une équipe de chercheurs de Harvard et de l’Université nationale d’Incheon a élaboré une approche pour construire des piles à combustible qui obtiennent de bons scores tant en termes de durabilité que de durée de vie. L’étude portait sur le développement d’une catégorie de membranes électrolytiques résistantes à la fatigue, constituées d’un réseau interpenetrant de Nafion et de perfluoropolyéther (PFPE). L’équipe a noté une légère dégradation des performances de la pile à combustible en échange d’une ‘staggering improvement in durability/longevity.’

Un autre développement passionnant qui a particulièrement encouragé les fabricants est l’introduction d’enzymes spécialisées dans les puits de pétrole épuisés. Ces enzymes décomposent les hydrocarbures résiduels en divers composants, dont l’hydrogène. Cette avancée pourrait transformer d’innombrables puits de pétrole épuisés et abandonnés à travers le monde en sources d’un carburant plus durable provenant de leurs profondeurs — l’hydrogène.

L’impulsion vers les véhicules à hydrogène s’inscrit dans la vision de créer des alternatives de transport plus durables pour l’avenir, potentiellement encore plus durables que les véhicules électriques (VE). En effet, les VE n’atteignent pas pleinement la durabilité ; leur potentiel d’émission dépend de la façon dont l’électricité est produite.

De nombreuses entreprises développent des solutions de véhicules à hydrogène, anticipant que les gouvernements et les autorités de transport favoriseront de plus en plus les véhicules à hydrogène par rapport aux VE à l’avenir. Dans les sections suivantes, nous discutons de quelques-unes de ces entreprises.

#1. Plateforme Ultium et cubes d’alimentation à pile à combustible HYDROTEC de General Motors

La technologie de pile à combustible GM Hydrotec affirme être une solution d’alimentation à pile à combustible abordable pour les applications terrestres, aériennes et maritimes. En 2021, Wabtec Corporation (NYSE: WAB) et General Motors (GM ) (NYSE: GM) ont annoncé une collaboration pour développer et commercialiser la technologie de batterie Ultium de GM et les systèmes de pile à combustible à hydrogène HYDROTEC pour les locomotives Wabtec.

While speaking about the value-add GM’s solutions were to bring for Wabtec, the CEO and President of Wabtec, Rafael Santana, had the following to say:

« Notre locomotive FLXdrive, la première locomotive 100 % alimentée par batterie au monde, a démontré son potentiel à réduire les émissions de carbone jusqu’à 30 % lorsqu’elle fonctionne à 6 MWh. Mais nous ne pouvons pas nous arrêter là. En travaillant avec GM sur les technologies de batterie Ultium et de pile à combustible à hydrogène HYDROTEC, nous pouvons accélérer la transition de l’industrie ferroviaire vers la décarbonisation et la voie vers des locomotives zéro émission en tirant parti de ces deux technologies de propulsion importantes. »

La solution Hydrotec de GM offre des cubes d’alimentation à pile à combustible compacts et faciles à intégrer pour un large éventail d’applications, y compris les locomotives. Ultium est la technologie de batterie qui ajoute la flexibilité, l’efficacité, la puissance et la fiabilité dont le rail a besoin.

En 2021, General Motors a également conclu une collaboration avec Liebherr-Aerospace pour développer un système démonstrateur de génération d’énergie à pile à combustible à hydrogène pour les avions. L’année suivante, GM a décidé d’aller au-delà du domaine des véhicules et du transport automobile avec sa solution Hydrotec.

L’entreprise a déclaré ses projets de développer plusieurs générateurs d’énergie basés sur HYDROTEC alimentés par les cubes d’alimentation à pile à combustible HYDROTEC génération 2 de GM. Ceux-ci comprennent :

• Un générateur d’énergie mobile (MPG) qui offre des capacités de recharge rapide pour les VE sans installer de points de charge permanents.
• Le chargeur rapide EMPOWER qui permet aux stations-service de détail d’ajouter une recharge DC rapide abordable sans étendre le réseau.
• Un MPG palettisé pour alimenter discrètement et efficacement les camps et installations militaires.

Pour l’exercice 2023, GM a déclaré un chiffre d’affaires de 171,8 milliards de dollars, avec un bénéfice net attribuable aux actionnaires dépassant 10 milliards de dollars et un EBIT ajusté de 12 milliards de dollars.

#2. Cellcentric : une collaboration à parts égales entre Daimler et Volvo

Cellcentric, une coentreprise à 50 % entre Volvo Group et Daimler Truck (DTG.DE ) AG, vise à devenir un fabricant mondial de premier plan de piles à combustible afin d’aider le monde à atteindre son objectif d’introduire un transport neutre et durable d’ici 2050.

En mai 2024, Cellcentric a annoncé son système de pile à combustible NextGen, une solution adaptée aux camions longue distance en Europe et en Amérique du Nord. Le système est une solution à emballage unique, hautement intégrée, compacte et légère, capable de fournir une puissance supérieure à 350 kW à son rendement maximal.

Selon les estimations de Cellcentric, la solution devrait offrir des économies de consommation de 20 % par rapport à la génération BZA150. Le système NextGen se vante également d’une augmentation de la densité de puissance de 30 % par rapport à la génération actuelle et d’une réduction de 40 % de la chaleur résiduelle à pleine charge, grâce à son design de système sophistiqué et à ses performances optimales. La solution réduit également les besoins de refroidissement, améliorant le niveau de performance du produit.

Pour l’année complète 2023, Volvo a augmenté ses ventes nettes de près de 80 milliards de SEK pour atteindre 553 milliards de SEK et le résultat d’exploitation ajusté à 77,6 milliards de SEK (50,5), avec une marge d’exploitation ajustée de 14,0 % (10,7). Le chiffre d’affaires du groupe Daimler a augmenté de 10 % pour atteindre un niveau record de 55,9 milliards d’euros en 2023.

L’avenir des véhicules à pile à combustible à hydrogène

Dans l’ensemble, l’avenir des véhicules à hydrogène semble prometteur étant donné la demande mondiale croissante de solutions de transport durables. Cependant, pour devenir plus efficaces et sûrs, les fabricants et les chercheurs technologiques devront travailler sur tous les aspects d’une voiture électrique à pile à combustible à hydrogène, y compris la pile, le remplisseur de carburant, le réservoir, le contrôleur et le système thermique. 

Ces véhicules offrent plusieurs avantages, notamment un couple instantané et des performances de puissance lisses et constantes, de faibles exigences de maintenance, des avantages de ravitaillement rapide, zéro émission, et plus encore. Cependant, les fabricants devront davantage travailler sur les coûts.

L’acquisition d’une voiture à pile à combustible peut coûter plus cher que les voitures conventionnelles de taille comparable. Cependant, plusieurs incitations sont disponibles dans les économies développées, comme un remboursement de 4 500 $ (7 500 $ pour les acheteurs éligibles aux revenus) du Clean Vehicle Rebate Project de Californie et d’autres. Bien que ces incitations stimulent l’adoption et la visibilité à court terme, le succès à long terme ne sera conduit que par les normes de sécurité et de performance offertes.

Cliquez ici pour découvrir ce qui a rendu l’hydrogène à nouveau une source d’énergie attrayante.