Les cartouches d’hydrogène portables soulignent l’attrait des FCEV

Les véhicules électriques (VE) suscitent un intérêt croissant. Leur adoption progresse dans le monde. Une prévision de marché citée dans cet article de 2024 estimait leur chiffre d’affaires mondial à 1 084 milliards de dollars d’ici la fin de la décennie. Il s’agit d’une projection, pas d’un résultat acquis.

2021 a été une année importante pour les ventes de VE, qui ont doublé par rapport à 2020 pour atteindre 6,75 millions, puis ont dépassé les 10 millions en 2022. Par ailleurs, les ventes unitaires de VE devraient atteindre 18,84 millions de véhicules d’ici 2029.

Les véhicules électriques utilisent un moteur électrique pour se déplacer. Selon leur architecture, l’électricité provient d’une batterie, d’une pile à combustible ou d’un système combinant plusieurs sources d’énergie.

Les véhicules électriques à batterie sont alimentés par une batterie rechargeable. Les hybrides rechargeables combinent moteur thermique et moteur électrique, avec une batterie rechargeable sur une source externe. Les hybrides non rechargeables associent aussi ces deux motorisations, mais ne se branchent pas au réseau. Les véhicules à pile à combustible utilisent notamment l’hydrogène pour produire l’électricité nécessaire au moteur.

Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) disposent d’un moteur électrique. Une pile alimentée en hydrogène produit l’électricité à bord. Ils possèdent généralement aussi une batterie, notamment pour récupérer l’énergie du freinage et assister la propulsion.

Dans une pile à membrane échangeuse de protons (PEM), courante dans les véhicules, une membrane électrolytique sépare l’anode, électrode négative, de la cathode, électrode positive. L’hydrogène arrive à l’anode et l’oxygène de l’air à la cathode.

À l’anode, un catalyseur est utilisé pour séparer les molécules d’hydrogène en électrons et en protons.

Un catalyseur accélère la réaction chimique. Dans les piles PEM automobiles, il contient généralement du platine ou un alliage de platine. La recherche vise à réduire le coût et la quantité de métal précieux, tout en préservant les performances et la durabilité. Les catalyseurs possibles diffèrent selon le type de pile.

Les électrons parcourent un circuit externe et fournissent un courant électrique. Les protons traversent la membrane électrolytique jusqu’à la cathode, où ils se combinent avec l’oxygène et les électrons pour former de l’eau, avec dégagement de chaleur. La pile convertit ainsi l’énergie chimique d’un combustible fourni de l’extérieur, tandis qu’une batterie stocke de l’énergie.

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Piles à combustible à hydrogène : quelles perspectives pour les véhicules ?

Une pile à combustible utilise essentiellement l’énergie chimique de combustibles comme l’hydrogène pour produire de l’électricité de manière efficace et propre. L’hydrogène est l’élément le plus léger, qui libère une abondante énergie en réaction avec l’oxygène et ne produit que de l’eau.

Ce gaz invisible a été présenté comme un carburant propre du futur. Le Hydrogen Council, une initiative mondiale regroupant des membres des principales entreprises d’énergie, de transport et industrielles, considère l’hydrogène non seulement comme une propulsion durable pour les véhicules à l’avenir, mais aussi comme une source d’énergie propre pour le chauffage et l’électricité.

L’hydrogène n’est toutefois pas automatiquement bas carbone. L’« hydrogène vert » est généralement produit par électrolyse de l’eau avec une électricité renouvelable. Son bilan environnemental dépend aussi de la fabrication des équipements, de la compression, du stockage et du transport.

Une pile alimentée en hydrogène ne rejette pas de CO₂ à l’échappement : elle produit de l’eau et de la chaleur. Cela peut améliorer la qualité de l’air par rapport à un moteur thermique. Le bilan sur l’ensemble du cycle de vie dépend néanmoins de la production du combustible et des équipements ; les matériaux employés nécessitent toujours une gestion adaptée.

Dans certaines applications, un ravitaillement rapide peut limiter les interruptions liées à la recharge des batteries. Cela ne supprime ni la batterie présente dans de nombreux FCEV ni les coûts d’entretien, de stockage et d’approvisionnement en hydrogène. L’avantage économique dépend donc de l’usage et de l’infrastructure.

Par rapport aux technologies traditionnelles basées sur la combustion, les piles à combustible fonctionnent également à des rendements plus élevés. En convertissant directement l’énergie chimique du combustible en énergie électrique, les piles à combustible peuvent atteindre de hauts rendements.

Selon le Département de l’Énergie des États‑Unis, l’efficacité énergétique des piles à combustible à hydrogène se situe entre 40 % et 60 % contre 25 % pour un moteur à combustion interne typique d’une voiture.

Les voitures à hydrogène offrent une propulsion électrique et un ravitaillement qui peut être rapide dans une station adaptée. Leur autonomie peut être comparable à celle de véhicules à grande batterie. Leur disponibilité pratique dépend cependant fortement de l’accès aux stations et à un approvisionnement fiable en hydrogène.

Les piles à combustible peuvent alimenter des véhicules commerciaux, certains drones et des installations stationnaires. La pertinence de chaque application dépend du coût, de la logistique du combustible et des exigences techniques, plutôt que d’une aptitude universelle à remplacer toutes les autres sources d’énergie.

Si l’on examine les statistiques concernant les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), ils ont connu une hausse de 40 % en 2022 par rapport à l’année précédente, avec plus de 72 000 FCEV signalés sur les routes du monde, selon le nouveau rapport Global EV Outlook 2023 de l’International Energy Agency (IEA).

Cependant, les ventes mondiales ont chuté de plus de 30 % en 2023, avec seulement 14 451 véhicules à pile à combustible vendus dans le monde en 2023, contre 20 704 en 2022. Ce ralentissement a été entraîné par la Corée du Sud, où les ventes de FCEV ont baissé jusqu’à 55,2 %.

Parallèlement, la Chine a enregistré une croissance modeste et est devenue le plus grand marché mondial de FCEV, selon le cabinet de conseil coréen SNE Research.

Le texte de 2024 mentionne un objectif de construction d’au moins 1 200 stations de ravitaillement en hydrogène en Chine d’ici 2025. Il s’agit d’un objectif annoncé, pas d’un nombre de stations déjà opérationnelles. La Chine occupe également une place majeure dans les VE et les batteries : le texte cite près des deux tiers des VE mondiaux et plus des trois quarts des batteries, selon le périmètre et la période étudiés.

À l’échelle européenne, les données de l’Observatoire européen de l’hydrogène citées pour 2023 placent l’Allemagne en tête du parc de FCEV, suivie de la France.

Les voitures particulières constituent la principale catégorie de FCEV dans ce périmètre européen. Le texte cite aussi 464 autobus et 215 camions pour 2023. Ces chiffres concernent ce périmètre régional et ne doivent pas être pris pour le parc mondial.

Les défis auxquels font face les véhicules électriques à pile à combustible

La place future de l’hydrogène dans le transport dépend des scénarios énergétiques, des politiques publiques et des usages. Le chiffre de 16 % à l’horizon 2050 attribué à l’AIE dans le texte source ne précise pas suffisamment son indicateur ni son scénario pour être présenté comme une prévision certaine de part de marché.

Le ravitaillement nécessite une infrastructure spécialisée, dont la disponibilité varie fortement selon les pays. Les chiffres cités dans le texte de 2024 — 178 stations en Europe, dont environ la moitié en Allemagne, et neuf au Royaume-Uni, contre 31 000 sites de recharge publique — constituent un instantané historique dont les définitions et dates doivent être vérifiées avant toute comparaison.

L’infrastructure continue de se développer. Associer recharge électrique et ravitaillement en hydrogène peut être pertinent dans certains réseaux, mais ne garantit pas un coût inférieur à celui d’un réseau entièrement électrique : cela dépend des usages, des volumes et des investissements nécessaires.

Le coût est un autre facteur limitant l’adoption des voitures à hydrogène. Les quelques modèles à pile à combustible actuellement disponibles sur le marché coûtent plus cher que les VE à batteries ou les moteurs à combustion interne.

L’une des raisons pour lesquelles les voitures à hydrogène sont plus chères est le coût du platine, qui agit comme catalyseur. Cependant, la quantité de métal précieux nécessaire aux piles à combustible automobiles a été réduite de façon significative, et les scientifiques recherchent également des alternatives économiques.

Le coût de l’hydrogène à la pompe varie selon la région, le mode de production et la logistique. Il n’est pas nécessairement équivalent à celui de l’essence. Une hausse des volumes pourrait contribuer à le réduire, sans garantir une baisse ni une compétitivité universelle.

Plusieurs constructeurs étudient l’hydrogène comme une option complémentaire aux batteries pour réduire les émissions, plutôt que comme un remplacement assuré de celles-ci.

Cela inclut Oliver Zipse, le PDG de BMW, qui a qualifié l’hydrogène de « pièce manquante du puzzle lorsqu’il s’agit de mobilité sans émission ». Bien que le constructeur allemand investisse massivement dans la technologie des batteries, il teste également une voiture à pile à combustible BMW iX5 Hydrogen, qui utilise les piles à combustible de Toyota.

Le constructeur automobile ne considère pas les FCEV comme un concurrent des voitures électriques à batterie ; il les voit plutôt comme complémentaires.

“Une technologie à elle seule ne suffira pas à permettre une mobilité climatiquement neutre dans le monde.”

— Oliver Zipse, en 2023

Selon l’entreprise, les véhicules à hydrogène constitueront une solution adaptée à ceux qui ont besoin d’une grande flexibilité et qui voyagent beaucoup. BMW explore également l’utilisation de la technologie hydrogène dans la production et la logistique.

Le président du conseil d’administration de Toyota (TM ) Akio Toyoda défend lui aussi une stratégie combinant plusieurs motorisations. En 2024, il a estimé que les véhicules entièrement électriques pourraient culminer à 30 % du marché, le reste comprenant notamment des hybrides, des véhicules à hydrogène et des moteurs thermiques. Il s’agit de son opinion, non d’une limite établie.

Toyota commercialise la Mirai à pile à combustible dans certains marchés. Son accessibilité dépend du pays et du réseau de ravitaillement ; elle n’est pas largement disponible partout.

Malgré tout l’intérêt et le développement, un autre problème des FCEV est l’accès facile à de l’hydrogène propre. Toyota a également reconnu que l’hydrogène dans les voitures n’a « pas encore réussi » en raison du manque d’approvisionnement, selon son responsable technique, Hiroki Nakajima.

Toyota explore notamment des cartouches d’hydrogène portables et échangeables. Il s’agit de réservoirs de combustible en développement, et non de batteries ou de piles à combustible interchangeables déjà disponibles pour toutes les voitures.

L’avancée de Toyota : des cartouches d’hydrogène portables

Au Japan Mobility Show Bizweek 2024, Toyota Motor Corp (TM ) a présenté des cartouches d’hydrogène portables. Cette démonstration visait à explorer de nouveaux usages et partenariats ; elle n’annonçait pas un système universel de ravitaillement par échange de cartouches pour les FCEV existants.

Source : Toyota

L’événement s’est tenu du 15 au 18 octobre 2024 au Makuhari Messe, dans la préfecture de Chiba. Il réunissait des acteurs de la mobilité et des startups autour de projets durables.

L’entreprise poursuit la neutralité carbone grâce à une approche multi‑voies, incluant la réalisation d’une société de l’hydrogène et la gestion des énergies renouvelables. Ces deux efforts contribuent à stabiliser l’approvisionnement énergétique et à réduire l’impact environnemental.

Toyota avait présenté un premier prototype fonctionnel en 2022 avec sa filiale Woven Planet. La capitalisation de 267,8 milliards de dollars, le cours de 169,55 dollars et le recul annuel de 7,54 % mentionnés dans le texte sont des données boursières historiques relevées lors de la rédaction en 2024.

Ces réservoirs transportables rappellent visuellement de grandes piles, mais stockent de l’hydrogène. Leur échange pourrait simplifier l’approvisionnement d’appareils conçus pour cet usage. Il ne suffit pas de les brancher sur n’importe quelle voiture à hydrogène.

Plus important encore, Toyota a réduit la taille et le poids de ces réservoirs, ce qui permet de les porter à la main. Auparavant, ces réservoirs d’hydrogène étaient trop volumineux et difficiles à manipuler. L’entreprise a déclaré:

“Ils sont conçus pour rendre l’hydrogène une source d’énergie familière et sûre, utilisable dans de nombreuses situations quotidiennes.”

Réduire la taille des réservoirs peut faciliter certains usages quotidiens. Cela ne résout pas à lui seul les difficultés de production, de distribution, de coût et de compatibilité des véhicules, et ne permet pas de conclure que les FCEV dépasseront les véhicules à batterie.

Toyota a également présenté sa GR Corolla de course à hydrogène. Le programme a commencé en 2021 avec de l’hydrogène gazeux ; depuis 2023, il utilise une version à hydrogène liquide dans des courses d’endurance au Japon et à l’étranger. Ce moteur à combustion d’hydrogène est distinct d’une pile à combustible.

Toyota étudie plusieurs usages de ces cartouches, au-delà de la mobilité, en collaboration avec d’autres entreprises.

À domicile, l’hydrogène pourrait servir à produire de l’électricité au moyen d’une pile à combustible, ou être brûlé dans un appareil compatible. Toyota et Rinnai ont notamment présenté un concept d’appareil de cuisson à hydrogène.

Toyota recherche des partenaires pour développer des appareils et des services utilisant ces cartouches. Son communiqué décrit cet objectif :

« Trouver des correspondances avec les technologies et les idées de diverses entreprises et startups. »

L’objectif annoncé est de développer les usages de l’hydrogène. La présentation reste une étape de recherche et de partenariat, pas la preuve d’un déploiement commercial généralisé.

Les principaux acteurs du marché des véhicules électriques à pile à combustible

Parmi les entreprises actives dans les piles à combustible, Plug Power (PLUG ) a développé des solutions pour chariots élévateurs et investi dans la production et la distribution d’hydrogène vert. Dans l’instantané boursier de cet article de 2024, son action cotait 2,08 dollars, en baisse de 54,22 % depuis le début de l’année. La page liée présente l’entreprise et ses activités.

Il y a également Ballard Power Systems (BLDP ), spécialisée dans les piles à combustible pour autobus, camions et autres véhicules lourds. Au moment de la rédaction en 2024, son action était indiquée à 1,66 dollar, en baisse de 55,95 % depuis le début de l’année. Le texte mentionnait également Nikola Corporation, dont l’action avait reculé de 83,81 % sur la même période. L’entreprise développait alors des camions à pile à combustible et à batterie. Ces informations décrivent la situation historique de l’article.

Examinons maintenant Cummins, dont l’action avait progressé sur la période considérée en 2024.

#1. Cummins Inc.

Au moment de la rédaction en 2024, le texte indiquait un cours de 332,68 dollars, en hausse de 38,87 % depuis le début de l’année, une capitalisation de 45,59 milliards de dollars, un rendement des capitaux propres de 19,55 % et un rendement du dividende de 2,19 %. Les valeurs de bénéfice par action sur douze mois (3,79 dollars) et de ratio cours/bénéfice (24,13) citées ensemble ne concordent pas avec ce cours ; elles nécessitent une vérification de période et de méthode avant utilisation.

Traditionnellement connue pour ses moteurs diesel, Cummins a aussi beaucoup investi dans l’hydrogène, notamment dans les piles à combustible destinées aux véhicules utilitaires. Au deuxième trimestre 2024, l’entreprise a annoncé un chiffre d’affaires record de 8,8 milliards de dollars et un bénéfice net de 726 millions de dollars. L’EBITDA représentait 15,3 % du chiffre d’affaires et le bénéfice dilué par action s’élevait à 5,26 dollars.

Depuis l’acquisition d’Hydrogenics en 2019 pour 290 millions de dollars, Cummins développe les piles à combustible à hydrogène pour les autobus, les camions et autres véhicules lourds. En 2023, l’entreprise a également annoncé le rachat de la participation de 19 % détenue par Air Liquide (AIL.DE ) dans Hydrogenics. Selon Cummins, cette opération « renforce son engagement envers ces technologies et l’importance croissante de leur rôle dans la création de valeur pour toutes les parties prenantes et la décarbonation de notre monde ».

En 2022, Cummins a commencé à fournir des systèmes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) à Scania, l’un des principaux fournisseurs mondiaux de camions et d’autobus pour le transport lourd, pour équiper 20 véhicules électriques à pile à combustible. Leur collaboration sur l’hydrogène a débuté en 2020, lorsque quatre camions électriques Scania équipés de systèmes Cummins ont commencé à circuler dans le cadre d’un projet pilote avec ASKO, le plus grand grossiste alimentaire de Norvège.

En 2024, l’entreprise a annoncé l’intégration de logiciels et de composants électroniques avancés dans les BEV et les FCEV afin d’optimiser leurs performances, d’améliorer la sécurité et de rendre les transports plus durables. Accelera, la division zéro émission de Cummins, a aussi lancé de nouvelles versions de ses modules de pile à combustible à hydrogène. Les modèles FCE300 et FCE150 offrent une durabilité accrue, un meilleur rendement du système et une densité de puissance supérieure pour les systèmes de grande taille.

« Grâce à une innovation constante, à des essais en conditions réelles et à la collaboration avec nos clients et partenaires pour adapter les solutions, nous continuons d’améliorer nos technologies de nouvelle génération, afin d’accélérer leur adoption et la transition vers le zéro émission. »

– Amy Davis, présidente d’Accelera

Conclusion

L’hydrogène est un gaz incolore, inodore, sans goût et inflammable. C’est un vecteur énergétique : il faut le produire, puis le stocker et le transporter. Ces propriétés permettent divers usages, mais imposent aussi des contraintes techniques et de sécurité.

Dans l’automobile, les piles à combustible offrent une autre voie de propulsion électrique. Elles ne rejettent pas de CO₂ à l’échappement lorsqu’elles utilisent de l’hydrogène. Leur bilan climatique global dépend toutefois de la production du combustible, de sa distribution et de la fabrication des équipements ; les énergies renouvelables peuvent réduire les émissions associées à la production.

L’adoption des FCEV reste confrontée aux coûts et aux infrastructures. Les cartouches portables de Toyota pourraient faciliter certains usages de l’hydrogène, sous réserve de développements supplémentaires. Leur présentation ne permet pas encore de prévoir l’ampleur de leur contribution à la mobilité durable.