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 problème. Avec mauvaises valeurs de revente, frais de réparation élevéset des infrastructures en retard, les ventes ont ralenti – nettement. Il y a même eu des revirements de décision de la part de grandes sociétés de location comme Hertz, qui ont décidé de décharger une grande partie des véhicules électriques de sa flotte, revenant à leurs homologues à moteur à combustion interne (ICE).

Même si cela peut être le cas, il serait fou de penser que la transition vers quelque chose d’aussi omniprésent que l’ICE se ferait de manière transparente. Il y aurait toujours des revers, et des questions valables seraient toujours posées tout au long du processus concernant les mérites des véhicules électriques.

En fin de compte, la transition vers les véhicules électriques n'est pas seulement le souhait de quelques-uns ; c'est une nécessité pour le plus grand nombre dans la lutte contre le changement climatique. Cependant, si la génération actuelle de véhicules électriques n'est pas à la hauteur, quelles autres options s'offrent à nous ? Pour beaucoup, la solution est celle qui est envisagée depuis des années et qui a récemment connu des avancées décisives : les véhicules électriques à hydrogène (VEH).

Améliorer la durabilité des piles à combustible à hydrogène

Dans une récente étude¹, une équipe de recherche conjointe composée de scientifiques des universités nationales de Harvard et d'Incheon a détaillé une nouvelle approche pour construire des piles à combustible à hydrogène qui entraînerait à la fois une durabilité et une durée de vie améliorées.

Plus précisément, l'étude a vu l'élaboration d'un «catégorie de membranes électrolytiques résistantes à la fatigue, constituées d'un réseau interpénétré de Nafion et de perfluoropolyéther (PFPE).» Lors de son utilisation, il a été noté que la fatigue typique, qui se manifeste par des fractures de contrainte qui se produisent lors d'une utilisation régulière des piles à combustible, pourrait être considérablement réduite.

En incorporant ce matériau dans des membranes électrolytiques au sein d'une pile à combustible, l'étude a montré qu'il augmentait la « …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, alors que la membrane composite a une durée de vie de 410 heures.

Bien que l'équipe ait constaté que l'introduction de ce matériau dégradait légèrement les performances des piles à combustible, l'amélioration spectaculaire de la durabilité et de la longévité constitue un compromis judicieux. Si les piles à combustible à hydrogène doivent supplanter leurs homologues à batterie dans le secteur des véhicules électriques, ce sont ces avancées qui doivent être réalisées. Cependant, il est important de garder à l'esprit que la meilleure technologie ne l'emporte pas toujours. L'avantage du précurseur est réel, et les véhicules électriques à batterie sont clairement en tête, malgré un récent effondrement du marché.

Que sont les véhicules électriques à hydrogène (VEH) ?

Un véhicule électrique est un véhicule qui repose sur des moteurs alimentés à l’électricité plutôt que sur un moteur alimenté par un carburant en combustion. Dans l’état actuel des choses, l’écrasante majorité des véhicules électriques utilisent de lourdes batteries pour stocker et fournir l’électricité nécessaire à l’alimentation de ces moteurs. Comme mentionné, il existe une autre approche des véhicules électriques 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 voit l'hydrogène, stocké sous forme liquide ou gaz comprimé, se diviser en protons. et des électrons. L'ensemble du processus 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 divisé en protons et en électrons.
3. Les électrons sont utilisés pour alimenter les moteurs, qui entraînent ensuite les roues.
4. Les protons se combinent avec l’oxygène de l’air, produisant deux sous-produits : de la chaleur et de la vapeur d’eau.

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

Quel est l’attrait de l’hydrogène ?

Les attraits derrière les VEH sont variés mais substantiels, tout comme les VE alimentés par batterie. Ainsi, même si les variantes alimentées par batterie dominent actuellement le marché, elles n’ont en aucun cas été déclarées comme l’approche gagnante. En fait, chacun des facteurs suivants indique que les VHE sont supérieurs d’une manière ou d’une autre.

Génération et stockage : Les batteries sont généralement constituées de matériaux collectés par de grandes opérations minières invasives qui font des ravages sur la Terre, remettant en cause le principe selon lequel leur utilisation est bonne pour l'environnement. L'hydrogène, en revanche, peut être capturé par des moyens tels que l'électrolyse durable et potentiellement réserves naturelles.

De plus, l’hydrogène peut facilement être compressé en liquide et transporté sans problème en grandes quantités. Il ne nécessite pas de lignes de transmission dès la création, ce qui rend le processus plus flexible.

Performance : Du point de vue des performances, il n’y a pas une grande différence entre les HEV et les BEV. Les deux types de véhicules utilisent des moteurs pour alimenter leurs roues motrices, ce qui signifie que tous deux bénéficieront du couple et de la puissance instantanés synonymes de cette technologie.

Émissions: Sur le plan des émissions, l’hydrogène est sans doute meilleur. Bien qu’il s’agisse techniquement d’un émetteur secondaire, il ne s’agit que de vapeur d’eau sortant du pot d’échappement. Pendant ce temps, les BEV n’émettent aucune émission. Là où l’hydrogène se distingue, c’est dans le processus de fabrication, car les batteries auxquelles il renonce nécessitent une exploitation minière approfondie, ce qui endommage la Terre.

Ravitaillement: Le ravitaillement est l’un des plus grands attraits de l’hydrogène, car il s’agit d’un facteur auquel les utilisateurs finaux seront régulièrement confrontés. Alors que les BEV nécessitent généralement de longs temps de charge et une infrastructure spécialisée, les HEV peuvent faire le plein aussi rapidement qu’un véhicule essence/diesel ordinaire.

Plage : Bien que la technologie des batteries s’améliore, pour qu’un BEV puisse offrir la même autonomie qu’un ICE plus traditionnel, une batterie massive est nécessaire. Cela entraîne des temps de charge plus longs, une empreinte environnementale plus importante et des pertes d'efficacité dues au poids. L’hydrogène, en revanche, affiche des chiffres d’autonomie généralement comparables à ceux de l’ICE, éliminant ainsi complètement l’anxiété liée à l’autonomie de l’équation.

Climats froids: Une partie de l’anxiété liée à l’autonomie qui afflige les propriétaires de BEV vient de la région. Très peu d’endroits offrent des conditions climatiques idéales pour un BEV, ce qui se traduit par une autonomie considérablement réduite pour de nombreux clients. Bien que l’hydrogène perde une certaine 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 divers domaines critiques dans lesquels les VHE peuvent surpasser leurs variantes de batteries. Là où ils commencent à prendre du retard, c'est dans la complexité, la nécessité de moderniser les infrastructures de ravitaillement existantes et l'avènement potentiel des batteries à semi-conducteurs.

Acteurs de l’industrie développant des solutions hydrogène

L'industrie des véhicules électriques traverse peut-être quelques difficultés en ce moment, mais il demeure évident qu'ils représentent l'avenir des transports. Ce qui est moins clair, c'est la forme que prendront les véhicules électriques. Seront-ils alimentés par batterie ? Ou utiliseront-ils des piles à combustible à hydrogène ? Les deux entreprises suivantes misent sur la seconde option et ont déjà commencé à planifier cet avenir.

*Les chiffres fournis ci-dessous étaient exacts au moment de la rédaction et sont sujets à changement. Tout investisseur potentiel devrait vérifier les paramètres*

1. Toyota

En tant que premier constructeur automobile mondial, il n'est pas surprenant que Toyota se soit lancé dans le domaine des véhicules hybrides. Il est intéressant de noter que, tout en développant activement des solutions de batteries à semi-conducteurs, Toyota s'est opposé aux véhicules électriques à batterie actuels. Au lieu de cela, Toyota a fait savoir qu'il croyait qu'un avenir meilleur résidait dans les véhicules hybrides et même dans les moteurs à combustion interne à hydrogène.

Il est à noter que Toyota a commencé à développer la technologie HEV en 1992, en préparation de la sortie de la « Mirai » – une berline offrant un ravitaillement en 5 minutes, une autonomie de 650 km et zéro émission nocive.

2. Puissance de prise

(PLUG )

Plug Power Inc., créée en 1997 et dont le siège est à Latham, New York, reste un acteur clé dans l'avancement de la technologie des piles à combustible à hydrogène. Notamment, Plug Power ne se concentre pas uniquement sur les voitures et les camions ; l'entreprise conçoit et fabrique de tels systèmes pour les petites installations utilisant des moteurs électriques.

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

Mot de la fin

Alors que les véhicules électriques à batterie trébuchent, l’accent est davantage mis sur les alternatives potentielles. Dans l’état actuel des choses, les solutions à l’hydrogène sont en tête du peloton, et même s’il peut être facile d’écarter la technologie à première vue, rappelez-vous que Toyota n’est pas le seul à promouvoir l’hydrogène. Des partenariats et le développement de solutions hydrogène impliquant des entreprises comme Honda, GM, Hyundai, etc. existent déjà.

Avec un accès croissant à l’hydrogène provenant de sources durables qui augmente chaque jour, l’avenir des véhicules électriques pourrait être légèrement différent de ce que beaucoup pensent.

Études référencées :

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, DY, Lee, WY, Choi, W., Kim, DJ, Lee, SH, Jeong, SK, Park, JH, Park, S., & Kim, JY (2024). Membranes électrolytiques résistantes à la fatigue pour piles à combustible à membrane électrolyte polymère durable. Matériaux avancés, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}