Les piles à combustible à hydrogène sont-elles l’avenir des véhicules électriques ?

L’adoption des véhicules électriques à batterie (BEV) en Amérique du Nord semble avoir rencontré un obstacle. Avec des faibles valeurs de revente, des coûts de réparation élevés et une infrastructure en retard, les ventes ont ralenti de façon notable. Certaines grandes sociétés de location comme Hertz ont même inversé leur décision en déchargeant une grande partie des VE de leur flotte, revenant à leurs homologues à moteur à combustion interne (ICE).

Bien que cela puisse être le cas, il serait insensé de penser que la transition loin d’un élément aussi omniprésent que le moteur à combustion interne (ICE) se ferait sans heurts. Il y aura toujours des revers et des questions légitimes soulevées en cours de route concernant les mérites des VE.

La conclusion est que la transition vers les VE n’est pas seulement le désir de quelques‑uns ; c’est une nécessité pour la majorité dans la lutte contre le changement climatique. Cependant, si la génération actuelle de VE n’est pas à la hauteur, quelles autres options avons‑nous ? Pour beaucoup, la réponse est celle qui est envisagée depuis de nombreuses années et qui a récemment connu des avancées critiques : les véhicules électriques à hydrogène (HEV).

Améliorer la durabilité des piles à combustible à hydrogène

Dans une étude¹ récente, une équipe de recherche conjointe composée de scientifiques de Harvard et de l’Université nationale d’Incheon a détaillé une nouvelle approche de construction des piles à combustible à hydrogène qui permettrait d’améliorer à la fois la durabilité et la durée de vie.

Plus précisément, l’étude a observé le développement d’une “catégorie de membranes électrolytiques résistantes à la fatigue, constituée d’un réseau interpénétrant de Nafion et de perfluoropolyéther (PFPE).” Lorsqu’elle est utilisée, il a été noté que la fatigue typique, qui se manifeste sous forme de fissures de contrainte lors de l’utilisation régulière des piles à combustible, pouvait être considérablement réduite.

En incorporant le matériau dans les membranes électrolytiques d’une pile à combustible, l’étude a montré qu’il augmentait le “…seuil de fatigue de 175 % et prolonge la durée de vie de la pile à combustible de 1,7 fois. De plus, la membrane Nafion non modifiée présente une durée de vie de 242 heures, tandis que la membrane composite a montré une durée de vie de 410 heures.”

Bien que l’équipe ait noté que l’introduction de ce matériau dégrade légèrement les performances des piles à combustible, l’amélioration spectaculaire de la durabilité/longévité constitue clairement un compromis valable. À l’avenir, si les piles à combustible à hydrogène doivent supplanter leurs homologues à batterie dans le secteur des VE, ce sont le type d’avancées qui doivent être réalisées. Cependant, il est important de se rappeler que la meilleure technologie ne l’emporte pas toujours. L’avantage du premier arrivant est réel, et les VE alimentés par batterie sont clairement en tête, malgré un récent ralentissement du marché.

Qu’est‑ce que les véhicules électriques à hydrogène (HEV) ?

Un véhicule électrique est celui qui repose sur des moteurs alimentés par l’électricité plutôt que sur un moteur fonctionnant avec du carburant brûlé. À l’heure actuelle, la grande majorité des véhicules électriques utilisent de lourdes batteries pour stocker et fournir l’électricité qui alimente ces moteurs. Comme mentionné, il existe une autre approche des VE qui semble gagner du terrain : les piles à combustible à hydrogène.

Dans les véhicules électriques à hydrogène (HEV), parfois appelés véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), l’électricité nécessaire pour alimenter le(s) moteur(s) est fournie par une réaction électrochimique qui sépare l’hydrogène, stocké sous forme liquide ou de gaz comprimé, en protons et électrons. Le processus complet fonctionne comme suit :

1. L’hydrogène stocké dans un réservoir haute pression est libéré à la demande vers une pile à combustible.
2. L’hydrogène introduit dans la pile à combustible est séparé en protons et électrons.
3. Les électrons sont utilisés pour alimenter les moteurs, qui entraînent alors les roues.
4. Les protons se combinent avec l’oxygène de l’air, produisant deux sous‑produits : chaleur et vapeur d’eau.

Il est intéressant de noter que quelques HEV hybrides utilisent une petite batterie pour récupérer l’énergie perdue grâce au freinage régénératif, combinant ainsi le meilleur des deux mondes.

Quel est l’attrait de l’hydrogène ?

Génération et stockage : Les packs de batteries sont généralement composés de matériaux extraits par de grandes opérations minières invasives qui causent des ravages sur la Terre, remettant en cause l’idée que leur utilisation est bénéfique pour l’environnement. L’hydrogène, en revanche, peut être capturé par des moyens tels que l’électrolyse durable et potentiellement des réserves naturelles.

De plus, l’hydrogène peut être facilement compressé en liquide et transporté en grande quantité sans problème. Il ne nécessite pas de lignes de transmission depuis le point de création, rendant le processus plus flexible.

Performance : D’un point de vue performance, il n’y a pas de grande différence entre les HEV et les BEV. Les deux types de véhicules utilisent des moteurs pour entraîner leurs roues motrices, ce qui signifie que les deux bénéficieront du couple instantané et de la puissance caractéristiques de la technologie.

Émissions : En ce qui concerne les émissions, l’hydrogène est sans doute meilleur. Bien qu’il soit techniquement un émetteur secondaire, cela ne produit que de la vapeur d’eau à la sortie du tuyau d’échappement. En revanche, les BEV n’ont aucune émission. Ce qui distingue l’hydrogène, c’est le processus de fabrication, car les packs de batteries qu’il évite nécessitent une extraction minière intensive, endommageant la Terre.

Rechargement : Le rechargement est l’un des plus grands attraits de l’hydrogène, car c’est un facteur que les utilisateurs finaux devront gérer régulièrement. Alors que les BEV nécessitent généralement de longs temps de charge et une infrastructure spécialisée, les HEV peuvent être ravitaillés aussi rapidement qu’un véhicule à essence/diesel ordinaire.

Autonomie : Bien que la technologie des batteries s’améliore, pour qu’un BEV offre la même autonomie qu’un moteur à combustion interne traditionnel, un pack de batteries massif est nécessaire. Cela entraîne des temps de charge plus longs, une empreinte environnementale accrue et des pertes d’efficacité dues au poids. L’hydrogène, en revanche, offre des autonomies généralement comparables à celles des ICE, éliminant ainsi l’angoisse d’autonomie.

Climats froids : Une partie de l’angoisse d’autonomie qui touche les propriétaires de BEV dépend de la région. Très peu d’endroits offrent des conditions climatiques idéales pour un BEV, ce qui entraîne une réduction drastique de l’autonomie pour de nombreux clients. Bien que l’hydrogène perde un peu d’autonomie par temps froid, ce n’est pas aussi dramatique, ce qui en fait une option plus attrayante pour beaucoup.

Comme vous pouvez le constater, il existe plusieurs domaines critiques où les HEV peuvent surpasser leurs variantes à batterie. Leur point faible réside dans la complexité, la nécessité de moderniser l’infrastructure de ravitaillement existante et l’éventuelle arrivée des batteries à état solide.

Acteurs de l’industrie développant des solutions à hydrogène

L’industrie des VE peut connaître quelques secousses en ce moment, mais il reste clair qu’elle représente l’avenir du transport. Ce qui n’est pas aussi clair, c’est la forme que prendront les VE. Seront‑ils alimentés par des batteries ? Ou compteront‑ils sur des piles à combustible à hydrogène ? Les deux entreprises suivantes misent sur cette dernière option et ont déjà commencé à planifier un tel avenir.

*Les chiffres fournis ci‑dessous étaient exacts au moment de la rédaction et sont susceptibles de changer. Tout investisseur potentiel doit vérifier les métriques*

1. Toyota

En tant que plus grand constructeur automobile du monde, il n’est pas surprenant que Toyota se soit aventurée dans le domaine des HEV. Il est intéressant de noter que, bien que l’entreprise développe activement des solutions de batteries à état solide, Toyota s’est opposée aux VE à batterie actuels. Au lieu de cela, Toyota a déclaré croire qu’un avenir plus prometteur réside dans les HEV et même les moteurs à combustion d’hydrogène.

Il convient de noter que Toyota a commencé à développer la technologie HEV en 1992, aboutissant à la sortie de la ‘Mirai’ – une berline affichant un ravitaillement en 5 minutes, une autonomie de 650 km et zéro émission nocive.

2. Plug Power

PLUG Graphique du prix

Plug Power Inc. (PLUG ), fondée en 1997 et dont le siège se trouve à Latham, New York, reste un acteur clé dans l’avancement de la technologie des piles à combustible à hydrogène. Il convient de noter que Plug Power ne se concentre pas uniquement sur les voitures et camions ; l’entreprise conçoit et fabrique de tels systèmes pour des installations plus petites qui utilisent des moteurs électriques.

Ces dernières années, Plug Power a élargi son champ d’action au-delà des piles à combustible pour la manutention de matériaux et a commencé à cibler des marchés plus larges. Cela inclut les systèmes d’énergie stationnaire, les flottes de véhicules de livraison et même des applications potentielles dans l’aviation. Les acquisitions stratégiques de l’entreprise, telles que United Hydrogen et Giner ELX, ont renforcé davantage sa position dans l’économie de l’hydrogène en améliorant ses capacités de génération, de liquéfaction et de distribution d’hydrogène.

Mot de conclusion

Avec les VE à batterie qui trébuchent, l’attention se porte davantage sur les alternatives potentielles. À l’heure actuelle, les solutions à hydrogène sont en tête, et bien qu’il soit facile de rejeter la technologie à première vue, rappelez‑vous que ce n’est pas seulement Toyota qui pousse pour l’hydrogène. Des partenariats et le développement de solutions à hydrogène impliquant des entreprises comme Honda, GM, Hyundai et d’autres existent déjà.

Avec un accès croissant à l’hydrogène provenant de sources durables chaque jour, l’avenir des VE pourrait sembler légèrement différent de ce que beaucoup imaginent.

Études référencées:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Membranes électrolytiques résistantes à la fatigue pour des piles à combustible à membrane échangeuse de polymère durables. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}