Energies et Motorisations : Honda Clarity Fuel cell

Honda Clarity Fuel cell

Cet article sur les énergies est la reprise d’un exposé effectué à l’occasion du 30e anniversaire de l’Office Parlementaire d’Evaluation des Choix Scientifiques et Techniques par Pierre-René Bauquis, Professeur Affilié IFP School, ancien Directeur Stratégie et Planification de Total. Sa démonstration est sans ambiguïté : il n’y aura pas de salut pour nos voitures en dehors de leur électrification, et à condition que cette électricité soit « décarbonée ». Cet article est reproduit dans Carfutur.com avec son aimable autorisation. 

Notre exposé portera sur les seuls transports automobiles. Les transports maritimes et aériens ne seront évoqués que dans la conclusion. La question clef concernant l’avenir des transports routiers est celle du choix de la source d’énergie embarquée à bord, le choix de la motorisation en découlant. La question est donc avant tout une question d’économie énergétique, et de façon plus annexe une question de motoriste. Cette question d’économie énergétique possède deux aspects : l’économie au sens traditionnel, c’est-à-dire le coût de la solution retenue, et son aspect environnemental : quelles émissions de CO2 et quelles émissions polluantes (NOx, particules etc…). Avant de vous donner mes conclusions concernant cette question, conclusions qui n’ont pas changé depuis que j’ai publié à l’Institut Français du Pétrole un long article sur ce sujet en 2004, je vous montrerai un seul graphique, car il est à mes yeux fondamental.

Energies et Motorisations : Capacité énergétique des hydrocarbures liquides

Capacité énergétique des hydrocarbures liquides

La réponse à la question « Quelles « énergies pour quelles motorisations », jusqu’en 1990, date symbolique de l’émergence de la question du changement climatique anthropique dans la sphère publique, était simple et sans appel. Le couple des carburants pétroliers liquides marié au moteur à combustion (essence ou diesel) l’emportait de loin sur toutes les autres solutions, qui n’avaient d’intérêt éventuel que pour quelques micro-niches.

Depuis 1990, la question se trouve profondément modifiée.  L’objectif prioritaire devient de diminuer le plus rapidement possible les émissions de CO2 du transport routier (et des autres modes de transport) et de diminuer les pollutions de proximité (NOx, particules, etc …) surtout en zones urbaines.

La réduction maximum des consommations des véhicules traditionnels (allègement des véhicules, efficacité accrue des motorisations, limitation des performances, etc…) permettra de résoudre la moitié de la question en divisant par deux les consommations moyennes. Pour faire simple, un véhicule moyen qui en l’an 2000 consommait 6 litres aux 100 kilomètres consommera sans doute trois litres aux cent kilomètres en 2020-2030.

Mais face à la croissance des parcs en Chine, Inde, Afrique ou autres, cette division par deux est insuffisante, et il nous faudra aller beaucoup plus loin, en substituant d’autres énergies aux carburants pétroliers. Dans ce processus de substitution, il n’y a que deux concurrents sérieux : l’électricité et l’hydrogène.

Après beaucoup de temps passé à les comparer, ma conclusion est que l’un de ces deux concurrents n’est en fait pas sérieux. Il s’agit de l’hydrogène, alors que l’autre, l’électricité, nous offre la seule voie d’avenir à grande échelle.

Nous allons donc dire quelques mots de chacun, en commençant par celui qui n’offre à notre avis que peu d’intérêt, même à long terme, pour un développement à grande échelle. Il pourrait offrir un intérêt à très long terme, si nous disposions de quantités stables et massives d’électricité non carbonée très bon marché.

L’hydrogène

C’est le type même de la « fausse bonne solution », bien que le premier brevet de moteur à combustion interne (de Rivaz –  Genève-1804) ait été celui d’un moteur à hydrogène.

Station de distribution d'hydrogène Air Liquide à Dusseldorf

Station de distribution d’hydrogène Air Liquide à Dusseldorf

Depuis une trentaine d’années, le mythe a été remis au goût du jour par de grands producteurs d’automobiles (BMW et MERCEDES dans les années 1990) et aujourd’hui, avec la combinaison H2 haute pression + PAC (Pile à combustible) du véhicule Mirai de Toyota (prix moyen : 75000 €, prix de revient de l’ordre du double) ou de la Honda Clarita Fuel Cell.

Or Toyota est le groupe qui a fait le plus progresser l’industrie automobile vers les « solutions vertes » avec le lancement en 1997 de la Prius, ce qui donne une très forte crédibilité à leurs capacités technologiques.

On peut citer à titre anecdotique la petite Hy Kangoo de Renault.

On peut également citer les groupes prestigieux accompagnant cette solution en se faisant les promoteurs de l’hydrogène Energie (Air Liquide en France) ou en construisant les stations de chargement d’hydrogène, liquide ou hyperbare (dont TOTAL).

Pourquoi l’hydrogène est-il une « fausse bonne solution » ? Ceci est lié à quatre facteurs essentiels :

Très chère à produire : … sauf si on part d’hydrocarbures ! ce qui est un cycle absurde au plan des émissions de CO², sauf à supposer que la capture et le stockage du CO² puissent déboucher au plan économique à grande échelle. Or ce cas suppose que le problème de l’effet de serre anthropique est déjà résolu.

De plus, l’hydrogène produit par reformage (à partir d’hydrocarbures) n’a pas la pureté nécessaire pour être utilisée dans des PAC. Il faudra donc produire l’hydrogène véhicule par électrolyse de l’eau, procédé beaucoup plus cher.

Très chère à transporter : son coût de transport est d’environ 10 fois celui du transport de carburants pétroliers, qu’il s’agisse de transport massif ou capillaire. Ceci est vrai aujourd’hui, mais l’était aussi en 1900 et le sera encore en 2100 : les lois de la thermodynamique ne se modifient pas par le progrès technique.

Très chère à stocker dans les véhicules : la masse d’hydrogène par rapport à celle du « système réservoir » est de l’ordre de 4 à 5%. La « Toyota » Mirai vient de légèrement dépasser ce chiffre avec 5,5 % au prix d’un effort technologique considérable.

Très chère à convertir en électricité : malgré de remarquable progrès (là aussi illustrés par la Mirai), les piles à combustibles resteront des systèmes complexes et chers. Il faudrait pouvoir diviser par un facteur 10 les coûts actuels pour produire des véhicules à un prix acceptable par les consommateurs.

Face à ces quatre facteurs négatifs, un seul facteur positif : le rendement d’une motorisation électrique, qui est bien supérieur à une motorisation type moteur à combustion. Cette différence ne suffit malheureusement pas à compenser au plan économique les quatre facteurs précédents.

Enfin les véhicules à hydrogène posent de redoutables questions de sécurité, que l’hydrogène soit à l’état liquide cryogénique ou à l’état gazeux hyperbare. Disant cela je ne fais pas allusion au fait qu’étant la plus petite des molécules, l’hydrogène a une fâcheuse tendance à se faufiler dans les plus petits interstices. Je fais allusion à des choses plus pratiques, qui seraient liées à une éventuelle utilisation à grande échelle de véhicules à hydrogène. Si celui-ci est liquide, se pose la question de son boil off,  c’est-à-dire du maintien obligatoire de l’évaporation d’une faible quantité du contenu du réservoir pour le maintenir à la température de liquéfaction (-253°C). Cette contrainte exclut les véhicules à hydrogène liquide de tous les parkings publics ou privés, sauf s’ils ont été spécialement conçus pour ces véhicules, ce qui n’est pas réaliste.

Quant aux véhicules à hydrogène sous haute pression (de 350 bars pour L’Hy Kangoo à 700 bars pour la Mirai), ce seraient des « bombes potentielles » face aux fâcheuses habitudes de certains manifestants d’incendier des voitures pour marquer leur mécontentement.

Alors, y-a-t-il une bonne solution pour assurer une substitution efficace des carburants pétroliers en réduisant fortement les émissions de CO² des véhicules ? Oui, et c’est l’électricité, mais à la condition fondamentale que celle-ci soit très peu ou pas du tout « carbonée ».

L’électricité

On oublie parfois que ce n’est qu’à partir de 1895-1900 que les voitures à pétrole sont devenues dominantes par rapport aux voitures électriques. De 1900 à nos jours, ces dernières ont été cantonnées à quelques niches étroites. La pénétration à grande échelle de l’électricité dans le secteur automobile semble actuellement opposer deux écoles : les partisans du véhicule tout électrique, et les partisans des véhicules mixtes électricité-pétrole.

Curieusement c’est un véhicule hybride, mais mono-énergie pétrole, la Toyota Prius déjà mentionnée, qui en 1997 a réouvert le champ des possibilités d’introduction de l’électricité dans les automobiles. L’idée de l’hybridation est ancienne, mais c’est sa réalisation à un coût abordable et avec une excellente fiabilité qui constitua la véritable révolution apportée par la Prius. Avant 1997, un véhicule était soit à pétrole soit électrique ; depuis cette date s’ouvre une troisième voie : celle de la mixité ou hybridation véritable. Avant de donner notre point de vue sur la compétition ou la complémentarité entre les voitures électriques et les hybrides rechargeables, rappelons la supériorité de ces deux solutions par rapport aux véhicules à hydrogène et piles à combustible.

Cette supériorité peut se résumer simplement. Pour un véhicule à hydrogène produit par électrolyse, il faut environ 35 Kwh pour 100 km (ce qui correspond à 1 kg d’hydrogène aux 100 km). Pour un véhicule électrique de taille et masse identique, il faut moins de 15 Kwh pour 100 km, soit 2 à 3 fois moins d’électricité.

LE RENDEMENT ENERGETIQUE DE LA FILIERE  « ELECTRICITE HYDROGENE Pile à Combustible », EST DEUX FOIS À TROIS FOIS INFERIEUR À CELUI D’UN VEHICULE ELECTRIQUE.

Ceci sans compter tous les handicaps durables de l’hydrogène liquéfié ou hyperbare déjà mentionnés.

Il nous reste à comparer les deux voies de pénétration de l’électricité dans l’automobile.

Le résultat de cette comparaison se résume simplement : ce n’est pas l’une ou l’autre mais l’une et l’autre.

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Les véhicules tout-électriques devraient occuper les marchés spécifiques de flotte dédiées aux zones urbaines et périurbaines pour les voitures particulières ou les véhicules utilitaires légers avec une autonomie de 150 à 200 km. En France, cette voie est désormais ouverte à une large échelle par le groupe Bolloré avec les AUTOLIB. Des centaines de modèles de véhicules tout-électriques existent de par le monde. Leurs avantages sont clairs : d’une part un très bon rendement énergétique, d’autre part zéro pétrole et donc zéro émissions de CO² si l’électricité utilisée est non carbonée.

Vouloir étendre ce domaine d’utilisation est à notre avis un contre-sens économique, sauf en ce qui concerne des véhicules haut de gamme pour clientèle fortunée. Sur le plan technique, on peut en effet étendre l’autonomie des véhicules tout-électriques à 500 km et pourquoi pas demain à 1000 km : cette niche a été ouverte par TESLA aux Etats-Unis ; Porsche et Audi vont y entrer avec des véhicules de 400 à 600 chevaux de puissance. Ce marché des voitures grandes routières électriques doit rester de petite taille (le marché des Ferrari ou Rolls Royce) pour fonctionner : la question de la recharge lors des grandes migrations routières deviendrait très problématique si cette solution devenait dominante, même si un rechargement des batteries en dix minutes était possible.

L’hybride rechargeable devrait par contre offrir un marché très large, couvrant en fait l’ensemble des véhicules particuliers et véhicules utilitaires légers en dehors des marchés pour lesquels les véhicules tout-électriques sont bien adaptés. Ces hybrides ont l’inconvénient d’émettre du CO², mais peu. Ainsi une berline familiale tout pétrole consommant en 2020 4 litres aux 100 km pourrait voir sa consommation passer à 3 litres aux 100 km en 2030 par simple progrès technologiques incrémentaux. Par contre, avec des voitures hybrides rechargeables ayant une autonomie électrique de 150 à 200 km, on verrait la consommation moyenne de ces mêmes berlines passer à 1,5 ou même 1 litre aux 100 km. C’est à nouveau Toyota qui aura ouvert cette voie à l’échelle industrielle, avec l’introduction en 2010 de sa Prius rechargeable. Début septembre 2015, BMW a annoncé au salon de Francfort qu’il proposerait cette solution sur l’ensemble de sa gamme dès 2016-2017.

La très forte baisse des consommations apportée par les hybrides rechargeables constituerait déjà à elle seule un progrès considérable. De plus, la production en masse de ce type de véhicule pourrait offrir des avantages majeurs dans le cadre des systèmes énergétiques et électriques du futur. En effet, étant biénergies ils peuvent aider à faire face aux crises touchant soit le pétrole soit l’électricité. Mais surtout, les gestionnaires des réseaux électriques disposeraient ainsi d’un outil puissant de régulation de la demande électrique, et accessoirement de l’offre. Ces hybrides rechargeables pourraient en effet être effacées (on interrompt l’alimentation électrique des bornes de rechargement) en période de pointe de consommation électrique, qui sont tout à la fois des pointes de coûts, de prix, et d’émission de CO² pour la génération électrique.

Cette possibilité n’est naturellement pas applicable aux flottes de véhicules tout électriques : on voit mal comment interrompre le rechargement des AUTOLIB ou des VU légers de livraison alimentant en bout de chaine des magasins. De plus, en période de pénurie temporaire les gestionnaires de réseaux pourraient même « tirer » une partie de l’électricité stockée dans les batteries des véhicules hybrides rechargeables sans que ceux-ci se retrouvent immobilisés. Ces avantages constituent à nos yeux la clé pour l’introduction d’un stockage massif et économique de l’électricité en bout des réseaux, que ceux-ci soient centralisés ou décentralisés.

Le parallèle avec les « cumulus » pour le stockage d’électricité en bout de réseau dans le logement, sous forme de chaleur, montre bien l’avantage d’un stockage en batterie : celui-ci est réversible, alors qu’un cumulus ne peut restituer de l’électricité.

Le potentiel de régulation apporté aux systèmes électriques par les véhicules hybrides rechargeables nous paraît très supérieur, tant au plan quantitatif qu’au plan économique, aux solutions visant à stocker des excédents passagers d’électricité sous forme d’hydrogène ou de gaz à synthèse pour les restituer ensuite sous forme électrique pour faire face à des pointes de demande. Il s’agit là de cycles techniquement tout à fait réalisables mais qui constituent un non-sens au plan économique.

Conclusion

La révolution d’une mobilité durable, c’est-à-dire assurée en émettant peu ou pas de gaz à effet de serre, passe essentiellement par une pénétration massive d’électricité non carbonée comme source d’énergie dans les transports routiers.

Cependant cette révolution affectera essentiellement les voitures particulières et les utlitaires légers.

En ce qui concerne les transports routiers par camions, la pénétration de l’électricité devrait y rester beaucoup plus limitée sauf avancées majeures dans le domaine des batteries.

Pour ces véhicules, le gaz naturel pourrait apporter une contribution à la baisse de leurs émissions, tant de leurs GES que de particules. Cette pénétration du gaz se ferait soit sous forme de GNV (Gaz Naturel Véhicule comprimé) pour certains marchés. Le GNL (Gaz Naturel Liquéfié) pourrait quant à lui avoir un impact important sur l’économie des flottes de camions routiers. Le GNL trouvera aussi de larges débouchés dans les transports maritimes.

Quant aux transports aériens, la question du recours à des carburants non pétroliers ne se posera probablement pas avant les dernières décennies du XXIe siècle. Quand ce problème deviendra une réalité et seulement alors, il conviendra de choisir entre kérosènes de synthèse d’origines différentes : BTK (biomasse to kerosene), CTK (cool to kerosene), GTK (gaz to kerosene) et HTK (hydrogen to kerosene), hydrogène liquide, GNL… ou même électricité stockée à bord.

Ce n’est pas parce qu’on a déjà fait voler des avions à l’hydrogène liquide, au gaz naturel liquéfié, au bio-kérosène (BTK), à l’électricité (Turbofan d’Airbus) que le problème se pose aujourd’hui.

Toutes ces possibilités existent mais elles demeureront hors du champ de la compétitivité économique face au kérosène pétrolier pour une cinquantaine d’années au moins. Ceci resterait vrai même en affectant un coût très élevé aux émissions de CO², se chiffrant en centaine de dollars par tonne.

Pierre-René Bauquis

Professeur Affilié IFP School, ancien Directeur Stratégie et Planification de Total

L’électricité est la bonne solution pour assurer une substitution efficace des carburants pétroliers en réduisant fortement les émissions de CO² des véhicules, mais à la condition  que celle-ci soit très peu ou pas du tout « carbonée ».
Pierre-René Bauquis