HYDROGENE,COMMENTAIRES SUR LE RAPPORT SYROTA

 

CHAPITRE IV

Le gouvernement français a chargé M. Jean Syrota de présider une commission sur l’énergie. Son rapport a été remis en octobre 2007. Je vous fais part de mes commentaires sur sa partie « hydrogène ».

Cette partie du rapport est reproduite  ci-dessous, accompagnée de mes commentaires en italique. 

Yves Garipuy     

 

9.3. L’hydrogène, un carburant automobile utopique

La conclusion est annoncée d’emblée.

 

Dès lors que certains constructeurs font rouler un prototype à hydrogène, les autres se sentent obligés d’assurer que « c’est pour après 2030 » même s’ils n’en croient pas un mot.

Affirmation subjective, beaucoup de constructeurs ayant un tel prototype.

  

9.3.1. Le véhicule à hydrogène n’a d’intérêt qu’avec une pile à combustible

Pourtant, le même rapport indique plus bas :

Elle (la pile à combustible) est cependant très coûteuse : la réaction chimique nécessite une membrane en polymères ainsi qu’un catalyseur de platine, métal précieux, rare et mal distribué à la surface terrestre. Le rendement énergétique final est de peu supérieur au moteur à explosion traditionnel.

C’est la nécessité du platine qui ruine la solution pile à combustible (pour équiper toutes les nouvelles voitures, il faudrait multiplier par 15 la production de ce métal).

 

L’utilisation de l’hydrogène en combustion directe

Le principe est d’utiliser directement l’hydrogène dans la chambre de combustion, en lieu et place de l’essence. (…)

La combustion interne présente plusieurs inconvénients :

· L’hydrogène est utilisé sous sa forme gazeuse dans le moteur, mais avec un taux de compression  insuffisant : il faut donc recourir à de grosses cylindrées (moteur V12 de 6 litres de cylindrée pour la Série 7 de BMW). En outre les réglages sont difficiles à maîtriser car du gaz dans la chambre de combustion d’un moteur est plus difficile à contrôler que du liquide.

C’est moins le cas quand l’hydrogène est stocké comprimé (à 700 bars au remplissage), et rien n’interdit d’utiliser un turbocompresseur alimenté électriquement ou par les gaz brulés, ni une injection électronique, comme dans les moteurs classiques à hydrocarbures. Le GPL est aussi utilisé en phase gazeuse.

 

· Les bilans énergétiques (rendement énergétique d’environ 35 %) et environnemental (émissions de NOx dues à la température élevée de combustion : 3000°C) sont plutôt mitigés.

Le rendement énergétique est meilleur que pour les moteurs à hydrocarbures (source chaude plus chaude, théorème de Carnot). Des filtres à NOx existent actuellement.

 

· Pour des raisons d’autonomie, on fait coexister un réservoir classique à essence avec un réservoir à hydrogène. Cela induit un encombrement et un surpoids notables.

OK. Hydrogène seulement.

 

· Enfin, le coût d’un tel dispositif est important, en particulier pour le réservoir calorifugé. L’avenir de ce type de véhicule paraît structurellement peu favorable en version grand public, même pour des modèles très puissants (susceptibles de recevoir des cylindrées importantes) et même en faisant abstraction du coût des infrastructures nécessaires.

OK , mais seulement pour le stockage d’hydrogène liquide (solution BMW), pas pour l’hydrogène comprimé (solution Ford ou Mazda).

 

9.3.2. La production et la distribution de l’hydrogène sont maîtrisées industriellement, mais sont très coûteuses

· La production d’hydrogène se fait actuellement, pour l’essentiel, par « reformage », à partir de combustibles fossiles, principalement de gaz naturel.

Demain, ce sera obligatoirement par électrolyse de l’eau.

 

Des quantités plus modestes sont produites par électrolyse (...)

Ces différents procédés conduisent à se poser la question de l’intérêt de l’hydrogène comme vecteur énergétique : si on l’obtient à partir de gaz naturel, pourquoi ne pas utiliser directement le gaz naturel dans le véhicule ? Si on l’obtient à partir d’électricité, pourquoi ne pas utiliser directement l’électricité dans le véhicule, puisque l’hydrogène y est transformé en électricité dans une pile à combustible ?

OK si l’on pouvait stocker l’électricité dans un réservoir.

 

  · La distribution de l’hydrogène nécessite la mise en place d’un réseau spécialisé de gazoducs (hydrogène gazeux à quelques dizaines de bars) ou de distribution par camions (hydrogène liquide à - 253°C) pouvant difficilement s’appuyer sur les infrastructures existantes. Si un réseau de distribution d’environ 1000 km existe entre France, Belgique et Pays-Bas, il est destiné aux seuls industriels ; une distribution généralisée pour les véhicules est plus difficile et pose des problèmes de sécurité conséquents (forts risques de fuite, explosivité si confinement). (…)

Les investissements dans un réseau de distribution de l’hydrogène sont considérables:  l’Agence internationale de l’énergie (AIE) chiffre à plus de 2 000 milliards de dollars la construction d’un tel réseau à l’échelle mondiale (…)

Le gaz naturel est distribué par Gaz de France, qui alimente 77% des foyers français, et dont le réseau de conduites mesure plus de 60.000 km. Savez-vous que dans ce réseau, on envoyait jusqu’ à la fin des années 60 du « gaz de ville », constitué à 50% de CO et 50% d’hydrogène ? Et puis, rien n’empêche un particulier ou une station service de fabriquer son hydrogène à l’aide d’un électrolyseur alimenté en eau et électricité, dont les réseaux d’alimentation existent déjà.

  

9.3.3. Le stockage de l’hydrogène à bord du véhicule constitue un défi technologique majeur

· Les technologies de stockage

Que l’hydrogène soit sous forme gazeuse ou sous forme liquide, les technologies de stockage doivent être améliorées pour augmenter l'autonomie des véhicules.
Le stockage gazeux permet actuellement une autonomie comparable à celle offerte par le pétrole, à condition d’installer un réservoir de 150 litres, pesant 100 kg et pressurisé à 700 bars. Un tel réservoir coûte 1000 € avec une cible de 300 € en 2015 ; il est fabriqué par les entreprises spécialisées dans les matériaux composites de l’« Aerospace Valley »  (Bordeaux-Toulouse). La matrice de fibre de carbone de l’enveloppe du réservoir représente environ 40 % des coûts. A terme, les progrès sur les matériaux composites et les polymères (constituant le liner, c’est-à-dire l’enveloppe interne anti-fuite) et, à plus long terme, sur les nanomatériaux, pourraient augmenter la résistance des réservoirs pour un stockage à 1200 bars, dans un volume de 87 litres. La compression de quelques dizaines de bars (en sortie de l’électrolyseur ou du reformeur) à 700 bars dépense l’équivalent de 10 % du contenu énergétique de l’hydrogène compressé obtenu.

Pas de problèmes, donc. Cela fonctionne déjà avec la même autonomie que les véhicules à pétrole. Mais alors où est le « défi technologique majeur » ?

 

· Les problèmes de sécurité « grand public »

Sur le plan de la sécurité, les obstacles semblent difficilement surmontables.

(…) Mais l’hydrogène a la caractéristique incontournable de fuir par les moindres fissures et d’exploser très facilement, mélangé à de l’air, en engendrant des dégâts importants.

Les fuites semblent tout à fait maîtrisables, même sur un immense réseau de gaz, et ceci depuis longtemps. On devrait donc pouvoir s’en sortir pour les quelques mètres de tube d’un véhicule.

Certes, en contrepartie de son pouvoir calorifique 3 fois plus élevé que celui de l’essence, l’hydrogène est plus facilement explosif. Cependant, cette propriété n’est vraie que si ce gaz s’échappe dans un milieu confiné. Sinon, l’hydrogène, 14 fois plus léger que l’air,  s’évacue très rapidement par le moindre interstice. En définitive, ses dangers d’explosion sont bien moindres que pour le GPL. Le dirigeable Hindenburg, rempli d’hydrogène, a brûlé car son enveloppe a été enflammée par la foudre, mais n’a pas explosé.

 

Et que dire de ce qui se passerait en cas d’incendie d’un véhicule à hydrogène ?

Cet essai d’incendie a été réalisé en 2001, et le livre « Hydrogène, énergie de demain » (Omniscience), rédigé par des spécialistes de l’hydrogène du CEA et du Ministère de la Recherche, publie les photos de deux voitures incendiées, l’une à réservoir d’hydrogène, l’autre à réservoir d’essence. Au bout d’une minute, la voiture à essence est totalement carbonisée, alors que la voiture à hydrogène parait intacte, avec une flamme qui s’amenuise au-dessus de la voiture, et une température sur les sièges arrière (le réservoir est à l’arrière) qui n’a pas dépassé 47°C à la fin de l’expérience (la radiation de la flamme d’hydrogène est faible)... Vive l’hydrogène, donc (ceci n’enlève pas la nécessité de continuer à approfondir la question primordiale de la sécurité)!  Du coup, votre conclusion paraît irréelle :  

C’est pourquoi les problèmes de sécurité ruinent, à eux seuls, tout espoir de succès pour l’hydrogène carburant, du moins pour un usage « grand public ».

 

  9.3.4. Les verrous technologiques, les coûts considérables de l’ensemble de la filière et les problèmes de sécurité constituent des handicaps insurmontables à l’horizon 2030
Les éléments problématiques dans la filière hydrogène sont souvent des verrous technologiques, soit insurmontables à l’heure actuelle, soit très onéreux :   

· Le coût de production varie fortement selon la méthode retenue. (…)

L’hydrogène est rentable par électrolyse quand le coût du baril de pétrole dépasse 80$, en incluant la prolongation de la TIPP avec l’hydrogène.

· Le coût de distribution : les investissements dans un pipeline véhiculant l’hydrogène sont deux fois plus élevés que pour le gaz naturel (probablement plus dans la phase initiale de lancement) et ses besoins énergétiques de fonctionnement 5 fois plus importants. Pour une distribution d’hydrogène liquide par camions, solution retenue par Air Liquide, la liquéfaction dégrade fortement les performances énergétiques de l’ensemble de la filière.

Pas de nouveau pipe-line ni de camion, bien entendu. Seulement le réseau de gaz naturel, le réseau d’électricité et le réseau d’eau, tous trois déjà en place.

 

· Le coût de stockage : actuellement un réservoir de stockage de l’hydrogène coûte environ 200 € par kilogramme de H₂ stocké. (…).
Et 60 € en 2015, d’après vos estimations ci-dessus. Ce n’est pas dirimant…

 

· Les conditions de sécurité draconiennes sont difficiles à assurer pour les usages grand public.

Nous en avons parlé. La sécurité est plus facile à assurer qu'avec le GPL. 

Annoncer des "handicaps insurmontables" avec de telles données laisse sans voix.

Comme il est habituel, s’agissant de projets nécessitant encore de nombreuses mises au point, les données économiques disponibles sont très variables, les promoteurs d’un nouveau concept ayant tendance à sous-estimer les difficultés économiques à résoudre et les coûts futurs. Mais, malgré cela, personne ne prétend que le véhicule à hydrogène sera moins coûteux que le véhicule thermique. En ce qui concerne le bilan énergétique, partant du seul schéma envisageable, celui de la pile à combustible avec un stockage à 700 bars embarqué, en chiffres ronds, le rendement de la compression est de 80 % et celui de la pile à combustible de 50 %, ce qui conduit à un rendement global de 40 % à bord du véhicule, c’est-à-dire à peu près le même rendement que celui du moteur thermique. Or il faut tenir compte du rendement de la production de l’hydrogène :
- Si c’est par électrolyse, le rendement est de l’ordre de 60 %.

Le rendement de l’électrolyseur bipolaire est actuellement de 70%, et GE annonce un électrolyseur avec un rendement de 76%.

 

Autrement dit, l’opération consiste à consommer de l’électricité, 100 MWh par exemple, pour disposer, à l’entrée du moteur électrique du véhicule, de seulement 24 MWh d’électricité : autant envoyer directement les 100 MW d’électricité dans un véhicule électrique qui disposera alors de 80 MWh, le chargement/ déchargement de la batterie consommant environ 20 MWh.

Le rendement de la batterie diminue fortement quand elle vieillit.

Il reste cependant incontestable que le rendement du tout électrique restera meilleur que celui de l’hydrogène sur la durée de vie moyenne de la batterie. Mais les résultats ne sont pas les mêmes :

. avec l’hydrogène, l’autonomie des véhicules pourrait être de 1200 km, contre 120 (plus 40 km d’intervalle entre stations service) pour les batteries. Le temps de recharge de la batterie se chiffre en heures.

. les batteries ont une durée de vie limitée, de l’ordre de 4-5 ans, et coûtent plus cher que le reste du véhicule (et le lithium va encore augmenter!). Elles pèsent 300 kg pour les petites voitures.

. l’hydrogène sera aussi le carburant des poids lourds et navires, pas les batteries ; il permettra de remplacer les hydrocarbures pour les applications à flamme (ciment) ou chimiques (engrais)

.l’hydrogène permet de stocker les énergies générées à contretemps (éolien et photovoltaïque)

. les batteries au lithium consommeront des ressources rares, comme le cobalt et surtout le lithium, dont les réserves facilement exploitables risquent d'être épuisées quand la filière thermonucléaire en aura besoin.

Enfin, les locomotives à vapeur, à l’origine de la Révolution Industrielle, avaient un rendement de 5%, bien plus choquant que les 30% de l’hydrogène, car le charbon va s’épuiser et est le plus grand producteur de gaz à effet de serre, alors que la filière thermonucléaire permettra une production illimitée d’hydrogène, qui lui ne pollue pas.

 

- Si c’est à partir d’une installation de « reformage »de gaz naturel, le rendement est de l’ordre de 70 %. Sachant que la compression de l’hydrogène pour son stockage à bord a un rendement de l’ordre de 90 %, l’opération qui consiste à consommer du gaz naturel pour produire de l’hydrogène utilisé dans le moteur a un rendement d’environ 32 %. Or un véhicule fonctionnant au gaz naturel peut avoir un rendement supérieur à 40 %. Il serait donc plus intéressant d’utiliser directement le gaz naturel dans le moteur thermique.

Il me semblait qu’on parlait du remplacement des hydrocarbures fossiles.

 

Les perspectives de généralisation du véhicule à hydrogène se heurtent donc à une rationalité très contestable, même après le terme de 2030.

 

CONCLUSION

Au total, ce rapport sur l’hydrogène est partial. Condescendant à l’égard de ce « carburant utopique », il se contente d’analyses superficielles.

L’objection principale contre le H₂ est la sécurité : « les problèmes de sécurité ruinent à eux seuls tout espoir de succès pour l’hydrogène carburant, du moins pour un usage « grand public ». C’est l’explosion qui est principalement redoutée, « engendrant des dégâts importants ». Pourtant après plus de 200 ans d’utilisation de l’hydrogène (le premier bec de gaz a été inauguré à Paris en 1803), les accidents connus ont été rarissimes. Aujourd’hui, les spécialistes de l’hydrogène du CEA et du Ministère de la Recherche affirment que l'hydrogène est « nettement moins explosif » que le gaz naturel (p.18, op. cit.).

Quant à l’incendie de voitures, fréquent hélas par malveillance, on a vu que l’hydrogène était bien moins dangereux que l’essence, laissant le véhicule pratiquement intact, avec un faible échauffement de l’habitacle. Les photos prouvant ce fait ont été présentées à un congrès sur l’hydrogène en 2001.

Comment peut-on orienter l’avenir d’un pays avec des affirmations catégoriques aussi fausses ?

 

Les autres arguments ne valent guère mieux :

. la distribution serait très coûteuse. Certes, mais en choisissant l’option absurde de construire un réseau spécialisé de distribution d’hydrogène. Sinon, cette distribution serait au contraire plus économique et pratique que celle des carburants actuels, en utilisant le réseau de gaz existant (converti à l’hydrogène, évidemment), ou la production décentralisée du H₂ sur le lieu même de sa distribution.

. le stockage de l’hydrogène constituerait  un « défi technologique majeur ». Que de grands mots pour une technologie déjà en service, même si elle peut être encore améliorée. Voilà un nouveau gisement d’exportation mondiale pour une technique française d’excellence.

. le « véhicule à hydrogène n’a d’intérêt qu’avec l’utilisation d’une pile à combustible », option pourtant critiquée dans le même rapport.

 

En définitive, la seule objection recevable est celle du rendement global de l’hydrogène, donc de son coût.

Il faut avoir sur cette question une attitude pragmatique. L’hydrogène est moins coûteux que les hydrocarbures pour un cours du pétrole brut supérieur à 80$ (tout en continuant à prélever l’équivalent de la TIPP). Mais la perspective proche est une augmentation de l’or noir qui va bien au-delà.  Nous nous sommes accommodés du rendement de la machine à vapeur et du moteur à explosion (qui a été au fil du temps beaucoup amélioré), qui ont révolutionné l’époque moderne. Nous apprécierons également le moteur à explosion d’hydrogène, qui a lui l’avantage d’utiliser une ressource illimitée non génératrice d’effet de serre.

Quant à la voiture à batteries électriques, elle a sa place pour des applications particulières, telles que le transport urbain de personnes. Il faudrait cependant ne pas gaspiller pour elle tout le lithium accessible.

Notons que l'Allemagne vient de décider une couverture nationale de son territoire par des stations de distribution d'hydrogène. Le plein se fait en self-service, et dure 3 minutes, comme pour les voitures à essence (quel cinglant désaveu pour le présent rapport ! Et quel gâchis !).

Enfin, avec l’hydrogène fabriqué sur place, nous n’aurions plus de problème de sécurité d’approvisionnement. Nous économiserions des achats extérieurs qui vont devenir insupportables, en préférant créer de l’emploi et réduire notre dette publique. Nous éviterions l’inflation, donc la baisse de pouvoir d’achat, générées par la cherté croissante du pétrole et du gaz achetés, et le naufrage de notre industrie automobile, sauvant ainsi 3 millions d’emplois. Nous exporterions la solution française, pour notre bien être et notre fierté.

Vous avez dit « utopique » ? Non, juste possible.