Moteur à hydrogène

Écrit par les experts Ooreka

La dénomination générique moteur à hydrogène recouvre en fait deux réalités dans ses applications à l'automobile. Il existe en effet deux façons bien distinctes d'utiliser ce gaz carburant :

  • la première est une exploitation directe dans un moteur thermique adapté ;
  • la seconde voie expérimentée actuellement est la génération d'électricité via une pile à combustible alimentée en hydrogène et en oxygène.

Moteur à hydrogène thermique

On retrouve ici notre classique moteur à 4 temps. Bien sûr, il a été transformé et renforcé pour être capable de brûler de l'hydrogène ou plus exactement du dihydrogène (formule H²). Cette combustion est théoriquement très propre, puisqu'elle ne génère que de la vapeur d'eau pure et de la chaleur.

Côté architecture, pas de grandes différences. À part quelques moteurs 2 temps ou rotatifs de type Wankel, il s'agit donc de blocs dérivés des motorisations à essence classiques.

hanhanpeggy / Getty Images

La chaleur intense dégagée par la combustion relativement propre de l'hydrogène nécessite le renfort des soupapes, des segments et autres éléments non lubrifiés par les résidus d'autrefois. Pour la même raison, les pistons doivent être munis de canaux de refroidissement internes arrosés par des jets d'huile froide venus de gicleurs disposés au bas des chemises, comme pour les moteurs sportifs turbocompressés. D'autre part, en mode hydrogène, le calculateur recalcule le débit de carburant afin d'assurer un mélange stœchiométrique pour un bon fonctionnement du moteur.

L'avantage de l'hydrogène est sa densité énergétique massique, car 1 kg de ce gaz équivaut à environ 3 kg d'essence. Cela dit, en volume, le bilan est complètement inversé et les soucis de stockage à 700 bars sont toujours présents.

Comme toujours avec la combustion de ces gaz, dits « secs » comparés à l'essence et surtout au gazole, les problèmes de lubrification, de corrosion et d'usures accélérées sont bien présents. Cette chimère technologique est alors abandonnée au profit des voitures électriques ou hybrides.

À noter : le dopage des moteurs à essence actuels avec un petit pourcentage d'hydrogène est intéressant, mais il reste à le produire et/ou le stocker à bord. En pratique, les gains obtenus sont bien réels, mais économiquement non viables.

Moteur à hydrogène électrique avec pile à combustible

Dans le cas des moteurs électriques, on utilisera aussi le dihydrogène comme carburant, mais dans une pile à combustible (PAC). En association avec le dioxygène, extrait de l'air ambiant ou parfois embarqué pur dans des réservoirs spécifiques, cette pile produit de l'électricité qui est ensuite stockée dans des batteries li-ion, voire des super-condensateurs tampons, avant d'alimenter le ou les moteurs électriques du véhicule.

Cette seconde voie semble plus rationnelle et donc la plus prometteuse mais avec un rendement global moindre qu'une batterie li-ion si l'hydrogène est tiré de l'électrolyse de l'eau.

En résumé, son principe s'apparente à une électrolyse inversée : au lieu de recevoir de l'électricité pour dissocier la molécule d'eau H²O en hydrogène H et oxygène O², la PAC réalise l'opération inverse. Elle reconstitue la molécule d'eau sous forme de vapeur condensable et restitue de l'électricité.

À noter : issue de la recherche spatiale, une PAC peut utiliser bien d'autres gaz, comme le propane, le butane, voire du méthanol pur dans le cas des Efoy utilisés dans les camping-cars ! Malheureusement, avec ces combustibles facilement disponibles, les PAC risquent de perdre leur bon rendement et émettre du CO² à leur tour.

Moteurs à hydrogène : achat et revente

Les technologies de moteurs à hydrogène, thermiques encore plus qu'électriques, ne semblent pas encore être véritablement fiables. Avant de se lancer dans l'aventure, il convient de se pencher sur l'aspect économique de ces véhicules.

Acheter un véhicule doté d'un moteur à hydrogène

Du côté des moteurs purement thermiques, le prix astronomique des quelques démonstrateurs observé chez Aston Martin, Mazda ou BMW n'est pas du tout compétitif aujourd'hui. Outre le manque cruel de stations de recharge, cette filière semble bien compromise.

L'horizon paraît plus radieux pour les hybrides hydrogène électriques qui s'affranchissent enfin du moteur thermique à problèmes. Tous les grands constructeurs y travaillent en secret et Toyota a même dégainé le 1er en 2014 avec sa Mirai. Vendue au Japon, aux USA, en Angleterre, au Danemark et en Allemagne contre la coquette somme de 80 000 . Son succès va aussi dépendre étroitement du développement onéreux des stations de recharge en hydrogène gazeux sous 700 bars.

Bon à savoir : selon la loi actuelle, la distribution d'hydrogène reste interdite dans l'espace public.

Revendre un véhicule doté d'un moteur à hydrogène

La question reste sans objet aujourd'hui pour les thermiques à hydrogène avec une centaine de BMW 760 en test pour une hypothétique mise en série en 2020. À suivre.

Au niveau des hybrides électriques à hydrogène, il est trop tôt pour être sûr de leur bonne revente. En effet, les points de recharge en gaz restent onéreux et rares, alors que la fiabilité de systèmes aussi complexes est problématique par nature. Plus encore qu'avec les VE purs, l'avenir nous dira si les clients pionniers et fiers de l'être seront récompensés jusqu'au bout de leur choix audacieux.

Comportement du moteur à hydrogène sur la route

Outre les caractéristiques techniques et mécaniques, il est intéressant de se pencher sur des critères plus pratiques des moteurs à hydrogène.

Agrément de conduite des moteurs à hydrogène

Actuellement, il n'existe pas encore de voiture thermique à hydrogène de série. Selon les tests effectués sur la BMW 760 Hydrogen 7, héritière du programme BMW CleanEnergy débuté voici 35 ans, on retrouve logiquement les belles qualités d'un moteur GPL ou GNV. En résumé : 

  • des performances en baisse plus ou moins marquées ;
  • une masse globale et un tarif en forte hausse ;
  • la souplesse du moteur ;
  • le silence étonnant ;
  • la grande autonomie cumulée essence et hydrogène.

Du coté des hybrides électriques à pile à hydrogène, on obtient donc l'excellent agrément évoqué avec les véhicules électriques purs, puisque seule la génération d'électricité embarquée est ajoutée à la chaîne de traction. Ici, l'agrément devient donc exceptionnel avec une autonomie de presque 500 km pour la Toyota Mirai et un plein d'hydrogène en 4 minutes chrono.

Étant donnée la masse avoisinant les 2 tonnes et la faible puissance de la batterie tampon, les reprises sont correctes en ville, mais deviennent insuffisantes aux vitesses supérieures.

Enfin, si les vibrations et le silence sont d'un très bon niveau, le fonctionnement de la PAC génère indirectement quelques décibels de plus que les versions à batteries li-ion.

Moteurs à hydrogène : quels types de trajets ?

En ne rejetant à l'échappement que de la vapeur d'eau pure à plus de 99 %, les futurs modèles thermiques à hydrogène sont aussi recommandables en ville que sur autoroute, grâce à une autonomie globale correcte. Cependant, cette technologie encombrante au faible rendement global est actuellement impossible à implémenter sur une citadine ou une compacte, naturellement plus maniables en ville.

Moins de soucis en vue avec les hybrides électriques à hydrogène, modulo un réseau de distribution de gaz suffisamment dense. Comme de coutume avec les carburants alternatifs, leur faible disponibilité au niveau mondial limite de facto l'utilisation de tels véhicules. Bien sûr, ce constat est évolutif au gré des décisions politico-économiques.

Aspects environnementaux des moteurs à hydrogène

Le gaz carburant hydrogène ne contenant pas de carbone C, sa combustion ne fera donc pas de CO², mais sa température élevée va réagir avec les autres composants de l'air d'admission, de l'azote pour l'essentiel. Ainsi, les mesures de pollution relèvent quelques traces de NOx et autres gaz toxiques.

D'autre part et contrairement au GNV en particulier, l'hydrogène est 3 fois moins énergétique pour le même volume et de surcroît, il n'est pas une énergie primaire. Autrement dit, il n'existe pas à l'état natif dans la nature et, objectivement, cela va grever très fortement son intérêt. Ainsi, il faut donc le produire, et ce, essentiellement de ces 3 façons :

  • à partir de produits pétroliers, donc des carburants fossiles (principaux processus actuels et polluants) ;
  • par électrolyse de l'eau (avec une génération d'électricité plus ou moins polluante et un rendement global médiocre...) ;
  • à partir de fermentation de biomasse.

Autre défi à relever : la fiabilité de la délicate et onéreuse PAC et son recyclage en fin de vie.


Pour aller plus loin


Des experts vous répondent

Simple et gratuit !

Sans démarchage commercial

Déjà plus de 100 000 questions répondues

Poser une question
frédéric lassureur

ancien formateur et assureur - diplômé de l'enass

Expert

louis marie poutchoko siewe

electromécanique | ets bulco

Nouvel expert

JG
josé g.

cadre technique retraité

Expert

Rejoindre notre réseau d'experts Plus d'experts


Autres sujets sur Ooreka


Tatie Jeanine n’aura plus le dernier mot

En vous inscrivant, profitez en exclu de nos services gratuits :

(Promis, on ne vous spammera pas)

OK
Surveillez votre boite mail, vous allez bientôt recevoir notre newsletter !