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Pile à combustible et moteur à hydrogène font la paire, selon l’IFPEN

Selon les analystes de l’IFP Energies nouvelles, la mobilité décarbonée de 2040 passera par le véhicule électrique et les solutions hydrogène. Pour en évaluer tout le potentiel, et les améliorations possibles, l’IFP Energies nouvelles s’est doté de bancs d’essais très spéciaux sur son site de Solaze (Rhône). TRM24 a pu visiter au printemps ses nouvelles installations.

François Kalaydjian, directeur Economie et veille et Coordinateur hydrogène à l’IFP Energies nouvelles en est convaincu : « l’hydrogène appliqué aux transports est un très bon levier pour décarboner le système ». Mais cela pose de de grands défis en terme de production, car un scénario zéro émissions nettes de gaz à effet de serre implique une production d’hydrogène décarboné multipliée par 7 entre 2019 et 2050. Le domaine de pertinence du dihydrogène s’applique lorsqu’il faut de grandes autonomies, un temps de ravitaillement compétitif et de fortes puissances.

L’IFPEN estime qu’en 2040 le coût de possession, d’un camion à pile à combustible serait légèrement supérieur à celui d’un même camion à batteries (le camion roulant au bioGNV demeurant le plus compétitif). En analyse de cycle de vie, sur le bilan carbone, l’IFPEN projette qu’en 2040, le camion électrique rechargé avec une électricité « mix France » est l’option la plus efficiente. Mais si on retient le mix de production électrique européen, la pile à combustible redevient plus pertinente que le camion « pur batteries ».

Grande surprise, l’IFPEN anticipe qu’en 2040 les écarts d’émissions globales de CO2 sur l’analyse de cycle de vie entre pile à combustible et moteur à combustion interne alimenté au dihydrogène seront faibles dans le cas d’un camion de 44 t. Le coût de possession étant même à l’avantage du second. L’enjeu de la pile à combustible sera de réduire l’empreinte carbone lors de la fabrication de celle-ci tout en accroissant sa durée de vie tandis que, pour le moteur à combustion alimenté à l’H2, l’enjeu sera de réduire la consommation et de traiter les oxydes d’azote résiduels. Comme pour le GNV, une part significative du surcoût est liée aux réservoirs.

Un autre élément pénalisant le prix sur le véhicule étant le choix de l’injection, directe ou indirecte. Mais François Kalaydjian retient que le moteur à combustion interne à hydrogène épargne le recours aux métaux précieux et permet le maintien de la filière industrielle existante. La pile conserve un avantage en terme d’émissions sonores et se dispense de tout dispositif de post-traitement des gaz d’échappement.

Stéphane Henriot, responsable piles à combustibles au Centre de résultats Transports à l’IFPEN, note qu’un défi à relever à terme est le coût du dihydrogène (autour de 12€/kg aujourd’hui, objectif 5€/kg en 2040 avec les énergies renouvelables ou le captage du CO2). La pureté exigée pour l’H2 alimentant les piles à combustible est très grande (99,97%, ou grade 5). Or un tel niveau ne peut être atteint facilement que par électrolyse de l’eau. A l’inverse, le moteur à combustion fonctionnant à l’hydrogène s’avère plus tolérant (grade 2). Il note surtout que le rendement des piles à combustible est paradoxalement assez proche du moteur thermique. Mais avec des caractéristiques différentes lors du fonctionnement.

Le moteur à combustion interne n’est pas mort

La pile offre son meilleur rendement à faibles sollicitations, tandis que c’est l’inverse pour le moteur thermique plus efficient sous fortes charges, ce qui correspond bien à un usage en poids-lourds.

L’IFPEN a investi en 2021 sur son site de Solaize (Rhône) dans un banc d’essai de caractérisation des piles à combustible pour des unités allant jusqu’à 210kW. Soit des piles pour applications lourdes (camions, ferroviaire, maritime). Ceci pour étudier le refroidissement, la gestion thermique, le pilotage des piles. Stéphane Henriot estime qu’en ferroviaire 10 à 20% de l’énergie produite par la pile est absorbée par le système de refroidissement de celle-ci ; mieux appréhender la gestion thermique serait une source majeure d’optimisation du rendement énergétique global de celle-ci. Le moteur à combustion interne hydrogène tient sa revanche en longévité, en pérennité des performances dans le temps. L’IFPEN a repris les travaux sur celui-ci dès 2019. Les chercheurs ambitionnent d’en accroître le rendement sur une large plage de régimes de fonctionnement, de réduire les émissions d’oxydes d’azote et d’obtenir un agrément de conduite équivalent au Diesel Euro VI. En 2 ans, les effectifs travaillant sur ces projets CORAM à l’IFPEN ont été plus que triplés, les bancs d’essais sont passés de 1 à 3 et les collaborations avec les industriels sont passées de 1 à 4. On note d’ailleurs que Renault Trucks est directement associé au programme MH8 du CORAM.

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