Le secteur des transports représente 31% de la consommation d’énergie dans l’Union Européenne. 98% du secteur utilise du carburant à base de pétrole. Le trafic sur les routes est la source la plus importante de bruit et de pollution locale de l’air ainsi qu’un contributeur considérable aux émissions globales des gaz à effet de serre.

En 1992, l’Organisation Mondiale de la Santé a classé Pékin comme la deuxième métropole la plus polluée au monde. Depuis, le nombre de véhicules à moteur a doublé. Le nombre de voiture augmente de 13% par an. Il devient de plus en plus difficile de rouler à bicyclette en Chine du double point de vue de la pollution et de la sécurité du trafic.

En 1999, 32% des émissions de CO2 de Norvège étaient dues aux transports, dont 65% causés par le transport routier. Entre 1990 et 1999, les émissions de gaz à effet de serre de ce secteur ont augmenté de 26%. [National Transportation Plan, 1999] Selon l’Autorité norvégienne de la Pollution (SFT), 750 000 personnes souffrent en Norvège du bruit et/ou de la pollution liée au trafic. La circulation sur les routes est actuellement la plus grande source d’impacts négatifs sur l’environnement de Norvège. [SFT, 30 Juin 1998]

Figure 12- Seuls l’hydrogène et la pile à combustible remplissent les normes d’émissions pour les véhicules respectueux de l’environnement.

L’Institut International sur le Cancer de l’Organisation Mondiale de la Santé à Lyon a conclu que les émissions des voitures Diesel sont très probablement cancérigènes. Il n’existe pas de documentation similaire pour les gaz d’échappement à essence. Les particules présentes dans l’échappement du Diesel endommage la molécule d’ADN ce qui entraîne le développement du cancer. Annuellement, ce sont 250 à 300 personnes qui meurent en Norvège du cancer suite aux émissions de particules des véhicules Diesel. [Professeur Tore Sanner du Department for Environmental and Work-related Cancer at the radium Hospital, à l’Aftenposten 22 Février 1999]

Dans les pays en développement, la pollution de l’air est un problème encore plus important. Une étude réalisée par la Banque Mondiale révèle que plus 40 000 personnes meurent chaque année dans les zones urbaines d’Inde à cause de la pollution. [The Cost of inaction : Valuing the economy wide cost of degradation in India, World Bank, Asia Division, 1995]

Les émissions peuvent être réduites de deux façons (les deux sont nécessaires) : par des changements de comportement qui diminuent les besoins de transport, par le développement technologique qui limite les émissions par kilomètre parcouru. On ne discutera que de la seconde dans ce rapport.

Le potentiel de réduction des émissions grâce à l’amélioration de technologies existantes est important, mais il n’autorisera que des améliorations marginales des niveaux de CO2. Ces améliorations disparaîtront sûrement devant l’augmentation attendue du trafic. Sur cette base, un nouveau moteur et une nouvelle technologie de carburant sont nécessaires. L’électricité et l’hydrogène sont actuellement les seules solutions sans aucun rejet au niveau de l’échappement.

Les piles à combustible sont capables de résoudre de nombreux problèmes liés aux émissions d’échappement. Avec l’hydrogène comme carburant, les véhicules auront un niveau d’émission nul et un rendement élevé avec une autonomie comparable aux véhicules conventionnels d’aujourd’hui. Ces trois exigences principales doivent être remplies pour une solution durable du point de vue de l’environnement, des profits et du consommateur.

Tout le monde semble d’accord sur le fait que l’hydrogène est le carburant du futur dans le domaine des transports.[Ogden et al. , 1999] Cependant, certaines sociétés (Statoil, Metanex, DaimlerChrysler inclus) ont proposé que le méthanol puisse être utilisé dans le cadre des infrastructures existantes. D’autres disent que voitures hybrides et électriques peuvent être une solution intermédiaire. Certains, comme General Motors et Exxon-Mobil, soutiennent que nous continuerons à améliorer les moteurs à combustion actuels jusqu’à ce que nous soyons prêts pour passer au bon moment à la solution hydrogène. [Weiss et al., 2001]

Une partie de leur raisonnement, ainsi que la rhétorique sous-jacente, se comprend mieux en considérant les origines de leur développement technologique et là où ils ont réalisé leurs investissements les plus lourds.

La majorité des compagnies pétrolières (comme Shell, Norsk Hydro et Texaco) ne souhaitent pas développer pour la seconde fois une nouvelle infrastructure – avec les coûts énormes que cela implique – et refusent donc de considérer l’utilisation du méthanol dans une phase intermédiaire. Pour appuyer cet argument, ils disent que même si une infrastructure à base d’hydrocarbures peut être moins chère, ceci est plus que contrebalancé par le fait que le processus de reformage embarqué rendra les véhicules plus complexes et réduira leur rendement.

Consommation d’énergie

Rejets de CO2 dus à la combustion

Rejets de CO2 : combustion/production

1998

2020

moins

2020

plus

1998

2020

moins

2020

plus

1998

2020

moins

2020

plus

Moteur Otto
– Pétrole

1,00

0,61

0,32

1,00

0,59

0,32

1,23

0,73

0,36

– Méthanol (combustion)

1,13

0,68

0,35

1,18

0,73

0,36

1,68

1,00

0,50

– GPL

0,90

0,55

0,28

0,82

0,50

0,27

0,91

0,55

0,27

– GNV

1,00

0,90

0,74

0,82

0,73

0,59

0,91

0,82

0,68

– Hydrogène (combustion)

0

0

0

0.00

0.00

0.00

Moteur Diesel
– Diesel

0,74

0,45

0,32

0,77

0,45

0,32

0,86

0,50

0,36

– DME

0,68

0,39

0,29

0,64

0,36

0,27

0,73

0,45

0,32

– RME (biodiesel)

0,74

0,45

0,35

0

0

0

0,64

0,36

0,23

Moteur électrique
– Batteries

0,31

0,25

0,25

0

0

0

0

0

0

– Hydrogène (pile à combustible)

0,31

0,31

0

0

0.00

0.01

0.01

– Méthanol (pile à combustible)

0,74

0,74

0,77

0,77

0.00

1,09

1,05

– Hydride

0,52

0,30

0,25

0,50

0,32

0,27

0,64

0,36

0,32

Tableau 3 – Ce tableau donne les émissions et la consommation de différents carburants automobile. Tous les chiffres sont relatifs à l’essence aujourd’hui. Les chiffres pour les émissions de CO2 liées à la combustion et la production sont relatifs aux émissions de CO2 de l’essence. ” 2020 Moins ” décrit un scénario où les normes de rejets ne sont pas renforcées par rapport aux niveaux actuels et où tous les facteurs externes sont constants. ” 2020 Plus ” décrit un scénario où le potentiel d’améliorations technologiques est mis en œuvre au maximum.

 On voit bien ici l’importance d’envisager le problème du transport en lien avec celui de la fourniture d’énergie et de l’analyse totale du cycle de vie. Cela signifie qu’il faut d’abord prendre en compte la production d’un vecteur énergétique, ensuite y ajouter le coût total de l’infrastructure ainsi que le coût de production et d’utilisation du véhicule correspondant tout en prenant en considération les coûts environnementaux des émissions tout au long du processus global. De ce point de vue, Bellona est d’accord avec Shell : ” Faîtes-le une fois et faîtes-le bien “. [Shell 2000]

Le secteur des transports est touché par des règlements et des taxes toujours plus nombreuses. C’est le cas de l’exigence de la Californie pour des véhicules à émission nulle (ZEV) et du programme Auto-oil de l’Union Européenne qui pousse le développement dans une direction prenant plus en compte l’environnement.

L’industrie automobile a toujours été réticente à réduire son impact sur l’environnement, mais elle est actuellement poussée vers des améliorations techniques. C’est aussi le cas à un degré croissant dans les pays en développement qui avaient été auparavant utilisés comme décharge pour l’industrie automobile. En Californie, le ” Véhicule à Emission Zero ” ou ” Programme ZEV ” a été adopté au début des années 1990 (voir l’adresse Internet : http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/zevprog.htm).

Ce programme implique que 10% de toutes les nouvelles voitures vendues doivent d’ici 2003 être en conformité avec la définition des émissions zéro. Le règlement a été confirmé par un vote public en Mai 2000. En Janvier 2001, le California Air Resource Board (CARB), sous la forte pression des industriels, a décidé de maintenir le programme ZEV, mais a permis une transition plus graduelle qui inclut des crédits pour des véhicules partiellement à émission zéro (PZEV). Aujourd’hui, au moins 4% de tous les véhicules vendus en 2003 doivent être ZEV tandis que 6% peuvent être PZEV ouvrant droit à des crédits ZEV. Cela signifie que les constructeurs automobiles disposeront de véhicules à faible taux d’émissions partiellement approuvés, mais il est prévu d’augmenter ces restrictions à 16% de véhicules ZEV d’ici 2018. En même temps, les fabricants recevront des crédits spéciaux pour mettre sur le marché plus rapidement des voitures à émission zéro, électriques ou à hydrogène. Le Massachussets, le Maine, New York et le New Hampshire ont aussi mis en place des programmes ZEV identiques à celui de la Californie.

Rejets de NOx

Rejets de HC

Rejets PM10

1998

2020

moins

2020

plus

1998

2020

moins

2020

plus

1998

2020

moins

2020

plus

Moteur Otto
– Pétrole

1,00

0,51

0,15

1,00

0,51

0,25

1,00

0,76

0,30

– Méthanol (combustion)

0,25

0,20

0,04

1,11

0,50

0,50

– GPL

0,86

0,51

0,12

0,83

0,41

0,21

1,06

0,85

0,67

– GNV

0;50

0,41

0,32

0,22

0,18

0,14

0,74

0,59

0,48

– Hydrogène (combustion)

Moteur Diesel
– Diesel

2,86

1,36

0,64

0,44

0,27

0,21

8,33

2,41

0,74

– DME

0,93

0,79

0,57

0,14

0,11

0,09

0,74

0,59

0,48

– RME (biodiesel)

3,71

1,57

0,79

0,02

0,01

0,01

8,33

2,41

0,74

Moteur électrique
– Batteries

0

0

0

0

0

0

0

0

0

– Hydrogène (pile à combustible)

0

0

0

0

0

0

– Méthanol (pile à combustible)

0,13

0,11

0,10

0,09

0,05

0,04

– Hydride

0,51

0,25

0,08

1,00

0,50

0,28

0,50

0,37

0,15

Tableau 4 – Ce tableau donne les valeurs d’émissions et de consommation de différents carburants utilisés par les voitures. (Source TI (1998a), mais Bellona a produit le tableau de comparaison).

Ce chapitre décrit quelques-unes des voitures prototypes les plus récentes qui ont été présentées par les plus grands fabricants automobiles. L’accent a été mis sur la description des spécifications techniques car il est clair que les voitures à pile à combustible sont techniquement prêtes à être lancées sur le marché. La suite passe rapidement en revue l’état de l’art des autres moyens de transport.

3.1 Transports terrestres

Dès les années 1930, l’ingénieur allemand Rudolf Erren a converti à l’hydrogène plus d’un millier de voitures et de camions. Erren a aussi converti à l’hydrogène des bus, et même un sous-marin et un train. [Hart 1997] Le fabricant automobile BMW a développé au cours des dernières décennies plusieurs prototypes de voitures à hydrogène sur la base du moteur à combustion. Quelques véhicules équipés de piles à combustibles alcalines avaient déjà été construits dans les années 1960 et 1970.

En 1993, les premiers véhicules à pile à combustible utilisant la technologie PEM étaient déjà en circulation. Energy Partners a construit une voiture de golf à pile à combustible, et Ballard lançait un bus à pile à combustible environ à la même époque. Ballard avait démarré le développement des piles à combustible PEM en 1983. En 1994, Daimler Benz est arrivé avec la Necar I et Toyota présentait son premier prototype à pile à combustible en 1996.

Voitures

Quelques prototypes de voitures à hydrogène sont décrits dans la suite ainsi que les choix concernant la conception mécanique, le stockage de l’hydrogène, l’autonomie, etc…

Ford

La Ford P2000 avec des piles à combustible fut introduite en 1998. Elle était conçue pour avoir le même rendement que la Ford Taurus d’aujourd’hui. Cette voiture à hydrogène est équipée d’une pile à combustible produisant 75 kW. 1,4 kg d’hydrogène comprimé est stocké dans deux réservoirs sous pression et donne une autonomie de 160 km. De plus, cette voiture est construite en matériaux plus légers comme l’aluminium, le magnésium et les composites, ce qui réduit le poids et donc permet de plus grandes économies de carburant.

Sous le capot d’une voiture à pile à combustible. Bjørnar Kruse / Bellona

En 2000, Ford présentait un autre prototype sur la base du modèle européen Focus. Celui-ci dispose de 2 kg d’hydrogène stocké sous pression et une pile à combustible de 75 kW. La voiture a une autonomie de 160 km et une vitesse maximale de 130 km/h. Elle met 8,8 secondes pour passer de 0 à 80 km/h. [Hyweb 2000]

General Motors

HydroGen I a pour base le monospace Opel Zaphira et a été lancée en Février 2000. La voiture est équipée d’une pile à combustible de 80 kW. Le moteur électrique est un moteur à courant alternatif de 55 kW avec un couple maximal de 305 Nm. Il pèse 1 575 kg comparé aux 1 425 kg du modèle à essence classique. Elle passe de 0 à 100 km/h en 16 secondes. L’hydrogène est stocké sous forme liquide avec une capacité du réservoir de 75 litres, soit environ 5 kg et une autonomie de 400 km. Le siège arrière est surélevé de 30 cm par rapport à la Zaphira de base et le bas du coffre est surélevé de 10 cm. HydroGen3, introduit en Septembre 2001, possède des piles à combustible et un moteur plus compacts donnant le même espace intérieur qu’une Zaphira normale. Opel a réalisé avec succès plusieurs tests de démarrage à froid sur ce système et a démarré avec la pile préalablement refroidie à –20°C. L’objectif est d’être capable de démarrer par –40°C. La Zaphira HydroGenI est maintenant en test intensif et placée sous forte contrainte dans différentes conditions. GM a passé un accord avec Toyota pour développer un véhicule à pile à combustible.

GM indique que le défi le plus important dans un futur proche est de mettre en place une infrastructure pour le carburant, réduire les coûts et développer des moyens de stockage plus compacts pour le carburant. Selon GM, ” clairement [le carburant du futur] est l’hydrogène car un moteur qui utilise des piles à combustible à hydrogène a un rendement optimal et ne rejette que de l’eau, est pratiquement silencieux et en même temps offre un degré élevé de plaisir de conduite “.[Opel, 2000]

DaimlerChrysler

En 1994, Daimler Benz a fait la démonstration de Necar I, un laboratoire mobile de pile à combustible dans un camion. Necar 2, introduite en 1996, est un mini van à six places où l’hydrogène est stocké sous pression, comme pour Necar I. Necar 3 est arrivé en 1997 : il s’agissait d’une Mercedès Classe A alimentée en méthanol. En mars 1999 la voiture à hydrogène Necar 4 était introduite, et la Necar 5 avec un reformeur de méthanol était présentée pour la première fois en 2000. A part le type de carburant, il y a très peu de différences entre la Necar 5 et la Necar 4. Le méthanol est un carburant que Bellona considère comme inacceptable à cause des niveaux élevés d’émissions de CO2. Le paragraphe ci-dessous présente la Necar 4 de façon plus détaillée.

La Necar 4 est une Mercédès Classe A dont le système complet de pile à combustible de 70 kW est placé dans le plancher de la voiture. Ce plancher était initialement destiné à des batteries de voiture électrique. La voiture dispose de 5 sièges, a de bonnes performances de conduite et le même volume de coffre qu’une Classe A ordinaire. Le réservoir de carburant hydrogène liquide est situé sous le coffre. La voiture peut stocker 5 kg d’hydrogène et a une autonomie de 450 km entre deux remplissages. Le moteur électrique produit 55 kW et sa vitesse maximale est de 145 km/h. Elle passe de 0 à 50 km/h en 6 secondes par rapport aux 4 secondes pour l’essence (60 kW) et 6 secondes pour le diesel (44 kW). Elle passe de 0 à 100 km/h en 26,3 secondes à comparer aux 12,9 secondes pour l’essence et 18 pour le diesel. Elle pèse 300 kg de plus que le modèle à essence, mais DaimlerChrysler pense pouvoir réduire considérablement le poids. Cette voiture a été testée en conduite réelle sur plus de 10 000 km en 380 heures. La consommation moyenne de carburant était de1,1 kg d’hydrogène par 100 km, ce qui équivaut à 4,0 litres d’essence aux 100. En comparaison (suivant les mêmes tests), une Classe A normale consomme 7,1 litres d’essence aux 100 km. Globalement, 37,7% de l’énergie de l’hydrogène est utilisée pour propulser la voiture (rendement réservoir roue). Pour la Classe A à essence, cette valeur est de 16-18% et de 22-24% pour le modèle Diesel.

DaimlerChrysler affirme que les avantages les plus importants de la pile à combustible sont :

  • Le rendement énergétique
  • Les émissions zéro en fonctionnement à l’hydrogène
  • Des niveaux de bruit faibles
  • Un confort plus grand

DaimlerChrysler a aussi affirmé que, de toutes les alternatives, la pile à combustible est la plus prometteuse et a investi quelques 1,35 milliards de dollars dans de nouveaux développements pour la mise sur le marché du premier véhicule. DaimlerChrysler démarrera des ventes limitées de voitures à hydrogène en 2004. [Friedmeier 2000] Les voitures à hydrogène auront le même prix que la version Diesel de la Classe A [Calstart 1999] et les premières voitures utiliseront l’hydrogène, très probablement comprimé dans des réservoirs sous pression.

BMW

La BMW 750 hl est construite sur le modèle BMW Série 7. Il est doté d’un moteur à combustion interne V12 utilisant de l’hydrogène liquide comme carburant primaire, mais passe automatiquement à l’essence quand le réservoir d’hydrogène est vide.

Le réservoir d’hydrogène super isolé contient assez de carburant pour conduire 350 km. Le réservoir d’essence est le réservoir normal de la Série 7, donnant une autonomie supplémentaire de 500 km. L’hydrogène est dispensé automatiquement par un robot à la station hydrogène, le conducteur restant assis dans la voiture. De tels stations robotisées sont actuellement construites en Allemagne. L’une d’entre elles est déjà ouverte à Munich et plusieurs autres sont prévues en Allemagne et en Italie.[Hyweb 2001]

La voiture n’est actuellement produite qu’en nombre limité (15), mais elle sera vendue dans la prochaine Série 7 de BMW. [BMW 2000]

BMW a aussi présenté en 2001 une version sur la base de la voiture compacte Mini. Son prix est environ 5% plus élevé que le modèle normal à essence. Le NOx est généré par les hautes températures dans les cylindres d’un moteur à combustion, mais cela peut être réduit par un mélange pauvre en hydrogène.

Il n’existe pas de données sur les émissions de NOx de ce modèle comparé à un modèle essence.

Toyota

Toyota fut le premier à produire en série des voitures hybrides et a vendu quelques dizaines de milliers de Prius. Quand l’entreprise investit lourdement dans le développement de la pile à combustible et confirme de façon répétée qu’elle commencera la vente de voitures à hydrogène en 2003, il y a toutes les raisons de croire en son succès.

La FCHV-4 de Toyota s’appuie sur le modèle Kluger V/Highlander (ce que l’on appelle un ” véhicule utilitaire sportif “). Il a 5 sièges. Bjørnar Kruse / Bellona

Toyota a utilisé les hydrides métalliques comme moyen de stockage dans ses premières voitures à hydrogène. Le prototype FCHV-4 sur la base du modèle Kluger IV utilise de l’hydrogène comprimé (250 bar). Toyota projette de lancer une série limitée (30-50 véhicules) de FCHV-4 en 2003. Par rapport aux autres prototypes à pile à combustible décrits plus haut, Toyota utilise une conception hybride à peu près de la même puissance que la Prius. Rapidement, ils remplacent le moteur à combustion par une pile à combustible et substituent au réservoir d’essence une unité de stockage d’hydrogène. Cette conception hybride exige aussi un certain nombre de batteries. Avec une conception hydride, il est très simple de récupérer l’énergie du freinage et de limiter la puissance de la pile à combustible.

L’hydrogène est stocké dans des réservoirs sous pression et l’autonomie est évaluée à 250 km. La pile à combustible que Toyota a développée a une puissance de 90 kW. Le moteur électrique est de type à aimant permanent, d’une puissance maximale de 80 kW avec un couple de 260 Nm ; la vitesse maximale est de 150 km/h.
Figure 15 – Rendement réservoir-roue de la Kluger V équipée d’un moteur à combustion à essence ou d’une pile à combustible à hydrogèneToyota a testé la voiture à hydrogène en parallèle avec la Kluger V à essence et fait état d’un rendement réservoir à la roue de 16% pour la voiture à essence contre 48% pour la voiture à hydrogène. [Toyota, 2001] En Juin 2001, des tests routiers ont débuté sur de petites flottes de voitures à hydrogène au Japon.

Bus

L’utilisation de l’hydrogène dans les bus est déjà bien avancée et a donné toute satisfaction. La majorité des bus à hydrogène qui ont fait l’objet de démonstrations utilisent l’hydrogène stocké dans des bouteilles placées sur le toit. Le système de pile à combustible s’intègre dans le volume d’un moteur normal ou au sommet du toit. Les bus, à la différence des voitures plus petites, sont construits à la demande, ce qui laisse au fabricant une plus grande facilité d’adaptation. De plus, les bus sont normalement alimentés dans un nombre limité de dépôts, rendant simple la construction d’une infrastructure.

Un bus à pile à combustible de DaimlerChrysler a été utilisé à des fins de démonstration pendant deux semaines à Oslo à l’automne 1999. Le bus roulait sur la route normale et la réaction du grand public sur le fait que bus fonctionnait à l’hydrogène a été très positive. [Hydro, 2000] Ballard avec la compagnie canadienne de bus TransLink a terminé récemment un test tout à fait concluant de trois bus à hydrogène qui ont parcouru plus de 67 000 km et transporté plus de 110 000 passagers. En Allemagne, MAN a utilisé avec beaucoup de succès des bus à hydrogène sur des routes classiques. Les passagers ont été absolument positifs sur l’utilisation de l’hydrogène comme carburant.

Au Brésil, en Inde, en Chine, en Egypte et au Mexique, 40 à 50 bus à hydrogène seront testés dans les prochaines années en coopération avec les Nations-Unies. Ces cinq pays mettront en service les bus dans leurs villes les plus polluées comme Sao Paulo, Mexico City, le Caire, New Delhi, Pékin et Shangaï. Un projet du même type est en cours en Europe. 30 bus de DaimlerChrysler seront mis en service dans dix villes en 2002-2003. A Oslo, les projets vont démarrer pour utiliser les bus à hydrogène, et les grandes compagnies de bus espèrent avoir 125 bus non polluants en service d’ici 2010. On pense que les bus à hydrogène seront disponibles commercialement en 2004. [Friedmeier, 2000]Le bus NEBUS a été lancé en 1997 et a été testé sur différents sites. Non seulement il ne rejette que de l’eau à l’échappement, mais de plus son niveau sonore est beaucoup plus faible que les bus normaux. En 2002-2003 plusieurs projets d’hydrogène démarreront en Europe. Des plans sont en cours pour mettre en service des bus à hydrogène dans plusieurs régions de Norvège – d’abord comme projet de démonstration pour ensuite les intégrer dans le système. L’arrêt des bus Diesel améliorera nettement la qualité de l’air en milieu urbain. Bjørnar Kruse / Bellona

Les fabricants européens de bus qui développent des bus à hydrogène sont Mercedès, MAN, Neoplan, Scania et Volvo.

Motocyclettes

La flotte mondiale de véhicules motorisés à deux roues s’élève à un peu plus de 200 millions d’unités et on prévoit qu’elle dépassera les 500 millions en 2010. La Région Océan Pacifique/Asie représente 82% du marché mondial avec la croissance la plus rapide avec un taux annuel de 15%. Ces véhicules contribuent fortement à la pollution locale dans les grandes villes d’Asie et d’Amérique du Sud. Mais il existe aussi quelques villes en Europe, en Italie par exemple, où les deux-roues avec un moteur à deux temps constituent un problème sérieux de pollution.

D’un autre point de vue, les motocyclettes légères peuvent être un moyen très efficace de transport comparé à une voiture où beaucoup d’énergie est utilisée pour déplacer le véhicule lui-même. Une motocyclette occupe aussi beaucoup moins d’espace. Le remplacement des motocyclettes et scooters polluants par des modèles sans pollution produits en grande série constituerait un pas dans la bonne direction du point environnemental. Différentes sociétés développent actuellement de tels véhicules. [Manhattan Scientifics, 2001]

La motocyclette à hydrogène d’Aprila. Les premières motocyclettes arriveront sûrement sur le marché en 2002/2003.

Trains

La pile à combustible peut être une solution pour les voies ferrées qui ne sont pas électrifiées, solution moins chère que l’installation de câbles électriques. Le Réseau de Voies Ferrées de Norvège (Norge Statsbaner, NSB) et celui de Suède (Statens Jernvegar, SJ) travaillent ensemble au développement de locomotives à pile à combustible. Elles équiperont d’abord des trains destinés au trafic local et pourront remplacer les locomotives Diesel polluantes. Un moteur de locomotive a été converti à l’hydrogène dans la période de l’entre deux guerres en Allemagne par Rudolf Erren [Hart, 1997] et une locomotive à hydrogène et pile à combustible destinée à la mine est en fonctionnement aux Etats-Unis.

3.2 Transport aérien

En 1783, quelques jours après le premier vol historique des frères Montgolfier dans un ballon à air chaud, J.A. Charles et Roberts s’envolèrent dans un ballon en soie, étanche et rempli d’hydrogène ; ils parcoururent quatre miles en deux heures. En 1852, Henri Griffard construisit et fit voler un dirigeable gonflé à l’hydrogène – le premier aéronef plus léger que l’air et relativement manœuvrable. Plus tard plusieurs dirigeables et ballons gonflés à l’hydrogène furent réalisés. Ferdinand von Zeppelin joua un rôle central dans le développement du dirigeable après 1900.

La société allemande DELAG a lancé une activité de transport commercial à l’aide de dirigeables en 1911. Elle faisait fonctionner une flotte de cinq dirigeables Zeppelin transportant des passagers et du courrier sur des routes régulières, quelques-unes étant intercontinentales. Jusqu’à la première Guerre Mondiale, DELAG avait transporté environ 40 000 passagers sur plus de 1 600 vols avec des dirigeables à hydrogène, et ceci sans accident.

Figure 16 – Effet de serre relatif à différentes altitudes pour un avion à réaction classique (Jet-A) et à hydrogène. Source : Daimler Benz Aerospace

Durant la première Guerre Mondiale, plusieurs dirigeables ont été construits et utilisés en Angleterre, en France, aux Etats-Unis, en Italie, Espagne, Pologne, Suisse et au Japon. Après le Traité de Versailles, on interdit à l’Allemagne de construire des dirigeables, mais Zeppelin en construisit un pour la Marine des Etats-Unis. En 1928, le premier Zeppelin Graf a été construit. Ce dirigeable était gonflé à l’hydrogène et fonctionna de façon continue durant 9 ans jusqu’à son démantèlement en 1937. Sur cette période, il transporta 13 110 passagers et environ 170 tonnes de courrier et de fret, en 590 voyages – dont 144 étaient intercontinentaux, principalement entre l’Allemagne et l’Amérique du Sud.

Autrement dit, les dirigeables gonflés à l’hydrogène ont été utilisés pendant de nombreuses années avant le lancement du Hindenburg en 1936. Voir le chapitre 5 concernant le Hindenburg.

En 1956 un bombardier américain B57 modifié vola avec de l’hydrogène liquide (LH2) comme carburant sur un moteur. Un Tupolev russe TU-154 fut converti à l’hydrogène en 1988 et plusieurs tests furent réalisés. En Juin 1989, un ” Cheetah ” (petit avion à hélice) a volé en utilisant uniquement de l’hydrogène.

Le fort pouvoir de combustion de l’hydrogène liquide réduit le poids du carburant d’un facteur 2,8, permettant d’utiliser de plus petits moteurs, moins bruyants. En utilisant l’hydrogène liquide pour refroidir les moteurs au lieu du refroidissement classique à air, le rendement est meilleur. La durée de vie estimée d’un moteur à réaction doit pouvoir augmenter d’au moins 25% et les besoins d’entretien et de maintenance diminuer d’autant. Ceci est dû entre autres choses à la pureté du carburant.[Brewer, 991] Un inconvénient lié à l’utilisation de l’hydrogène au lieu du kérosène est que l’hydrogène a une densité plus faible et requiert des réservoirs plus grands. L’utilisation de l’hydrogène au lieu du kérosène élimine les émissions de CO, CO2, d’hydrocarbures et de particules. A cause des hautes températures dans le moteur à réaction, un peu de NOx est malgré tout généré (NOx dépend de la température dans la chambre de combustion, pas du carburant utilisé). Mis à part cela, le seul rejet est de l’eau. Pour des raisons variées, les émissions de NOx peuvent être plus faibles que celles des avions classiques.[Klug, 1996]

Les rejets d’eau d’un avion à hydrogène sont 2,6 fois supérieurs à ceux d’un avion propulsé au kérosène. L’effet de serre de la vapeur d’eau jusqu’à 10 km d’altitude est pratiquement nul, mais au-delà l’eau peut induire un effet de serre.[Hart 1997] Les opinions sont variables sur l’intensité de cet effet, mais on doit noter ici que, alors que le CO2 reste actif dans l’atmosphère pendant plus de 100 ans, la vapeur ne reste dans la stratosphère que 6 à 12 mois, et seulement trois ou quatre jours à des altitudes plus basses.

Plusieurs études vont être réalisées par Airbus pour cartographier l’effet de serre des rejets d’eau. Si l’on prouve qu’il existe un problème à haute altitude, il sera possible de réglementer les procédures de vol. Airbus estime que la Scandinavie et côte Ouest des Etats-Unis seront les premiers marchés d’un avion à hydrogène.[Klug 1996] Bellona pense que les autorités norvégiennes devraient prendre une part active dans le développement d’un avion à hydrogène en exigeant que, à partir de 2007, un certain pourcentage des nouveaux avions soit des avions à hydrogène.

Au cours des années 1970, plusieurs études furent réalisées pour la NASA dans l’objectif de développer des avions de passagers supersoniques. Le faible poids de l’hydrogène en fait un carburant de premier choix. Plusieurs études de sécurité furent aussi menées à cette époque. En 1975-1976, dans le cadre d’un contrat avec la NASA, une étude a été menée sur le stockage et l’utilisation de l’hydrogène liquide dans les aéroports. Une étude fut réalisée par Boeing et une autre par Lockheed en Californie ; les aéroports pris comme études de cas étaient l’Aéroport International de San Francisco et l’Aéroport International O’Hare de Chicago. Ces études ont conclu à la faisabilité du stockage de l’hydrogène comme carburant dans les aéroports. L’hydrogène est actuellement utilisé comme carburant pour les véhicules à l’aéroport de Munich. Des véhicules de remplissage ont été conçus ainsi que des bouches d’incendie et des projets d’infrastructure complète. Le remplissage pourrait être effectué sur les quais de chargement tandis que d’autres activités (comme le chargement, l’embarquement, etc..) pourraient se dérouler comme pour les avions classiques. Le temps de remplissage serait à peu près le même que pour un avion normal. Tous les hangars devront être équipés d’une ventilation sur le toit.[Brewer 1990]

DaimlerChrysler Aerospace/Airbus (DASA) a démarré récemment un nouveau projet de coopération européenne pour le développement d’avions à réaction à hydrogène. 33 entreprises industrielles, instituts de recherche et universités de 11 pays européens y participent. Dans un premier temps, DASA a lancé une étude préliminaire sur deux ans ainsi qu’une analyse du système des avions propulsés à l’hydrogène. Le nom de ce projet est Cryoplane, d’après un ancien projet d’avion à hydrogène conduit par DASA. L’étude identifiera les différents aspects d’utilisation de l’hydrogène dans les transports aériens, y compris la sécurité et l’impact sur l’environnement, ainsi que la faisabilité globale d’un tel projet.[Hyweb 2000]

L’objectif de la prochaine décennie est de développer et démarrer en petite série la production d’avions à hydrogène liquide. Le développement d’une infrastructure pour les avions n’est pas un problème. La grande expérience de la NASA avec le LH2 dans les programmes spatiaux fournira le savoir faire nécessaire. Boeing a commencé récemment à examiner l’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les avions.[Mémo à Bellona de Boeing, 2000]

La Nasa a aussi démarré un programme de R&D sur les avions à hydrogène. Le projet du Centre de Recherche Glenn de la NASA est appelé Projet de recherche Zéro CO2. L’objectif est de développer des avions avec zéro émission de CO2 et réduire fortement (voire éliminer) les niveaux de NOx. Le projet de la NASA étudiera différentes configurations, ainsi que des conceptions variées de modèles d’avion pour les différentes alternatives. Si ce projet est un succès, l’objectif est d’intégrer les fabricants d’avion comme partenaires dans un projet de test, ce qui pourrait déboucher sur un avion prêt à être fabriqué.[Flynytt no. 6, 2000]

3.3 Navigation

La Marine des Etats-Unis a construit un bateau à hydrogène propulsé par une turbine à hydrogène dans les années 1960. Le développement des premiers navires à pile à combustible a été lancé suite à la disparition du sous-marin Thresher en 1963. On décida de construire un sous-marin de secours en choisissant des piles à combustible comme source d’énergie ; le premier navire fut lancé en 1977. Aujourd’hui la Marine américaine possède deux bateaux de ce type en réserve pour des opérations de secours. Le choix de l’oxygène et de l’hydrogène pour la pile à combustible a été réalisé car ce système n’est pas affecté par la profondeur, il est compact, ne rejette pas de gaz d’échappement toxiques et fournit 30 kW. La pile à combustible alcaline a fonctionné dans des profondeurs de plus de 1 500 m [IFC, 2001]. Le gaz est stocké dans des réservoirs sous pression.[Zimmermann, 1997]

Le fait que la pile combustible soit très silencieuse ne rentrait pas dans la conception des bateaux de sauvetage, mais la pile à combustible a été envisagée en parallèle pour les sous-marins d’attaque. La Suède a étudié comment utiliser des piles à combustible dans les sous-marins en 1960, mais a estimé que l’utilisation de l’hydrogène était trop compliquée et a opté à la place pour le moteur Stirling.

Après plusieurs décennies d’expérimentation, les allemands ont démarré un programme de développement de la pile à combustible en 1981. En 1988, un sous-marin allemand Type 205 converti à l’hydrogène était testé sur une année avec des résultats prometteurs. Les conclusions furent :

  • La pile à combustible peut fonctionner à performance maximale
  • La conception de la pile à combustible est telle qu’elle permet de les relier en série ou en parallèle, pour obtenir une vitesse lente ou rapide
  • Les éléments de la pile à combustible peuvent être facilement remplacés (dans un cas un élément de la pile a été endommagé et l’équipage a pris moins d’une demi heure pour le remplacer)

En 1994, il fut décidé de construire quatre nouveaux sous-marins de type 212. Ils sont de technologie hybride avec pile à combustible et moteur Diesel. L’hydrogène est stocké dans des hydrides métalliques. Cette conception constitue une phase intermédiaire vers des sous-marins dotés uniquement de pile à combustible. HDW, Howardswerke-Deutsche Werft à Kiel, qui finance ce projet, travaille maintenant avec le canadien Ballard pour construire le sous-marin 213, un navire à Propulsion sans Air (AIP) qui n’utilise que des piles à combustible PEM et de l’hydrogène et de l’oxygène. L’hydrogène sera stocké dans ces bateaux dans des réservoirs à hydrides métalliques.[Sattler, 1999]

On pense aussi que la Russie a converti à l’hydrogène un sous-marin Diesel. On rapporte que cela a été fait en 1991.[Zimmermann, 1997]

Le Maritime Hydrogen Technology Development Group aux Etats-Unis (comprenant entre autres le California Air Resource Board et le California Environmental Protection Agency) projette de construire et d’intégrer la propulsion à hydrogène dans le système de transport maritime. Une étude réalisée par ce groupement pour le ministère américain de l’énergie conclut que l’hydrogène peut être utilisé de façon économique dans les transports maritimes avec un investissement minimal en infrastructure de carburant. Un bateau taxi à hydrogène équipé d’une turbine a été lancé en 2001 et un bateau à hydrogène est au stade du développement. L’hydrogène sera initialement stocké dans des réservoirs légers sous pression. L’objectif est d’exploiter une flotte entière de bateaux de pêche et de ferries.

Hydra, un bateau de passagers équipé d’une pile à combustible alcaline de 7,5 kW et pouvant emporter 22 passagers, a été lancé à l’été 2000 en Allemagne. Il existe aussi sur le marché un bateau de 19 pieds équipé de batteries et d’un pile PEM de 2,5 kW.

En Islande, un grand intérêt est porté sur la conversion à l’hydrogène de la flottille de pêche pour économiser de l’argent et réduire les émissions de CO2. Norsk Hydro, Shell et DaimlerChrysler sont impliqués dans ce projet dans la compagnie Icelandic New Energy. L’Islande dispose de l’électricité la moins chère du monde et l’électricité y est produite à partir de sources renouvelables. L’hydrogène produit en Islande serait donc beaucoup moins cher que le pétrole importé. Plusieurs autres études ont été aussi menées sur l’utilisation de piles à combustible sur les navires et les sous-marins ; une de ces études a été réalisée par MARAD USA en 1998 sur la base d’un porte container. En Angleterre, la Marine Royale examine l’utilisation de piles à combustible comme alternative aux sources d’énergie fossiles. Des piles à combustible peuvent être facilement installées dans des bateaux pour fournir de l’énergie dans les ports à la place de génératrices Diesel très polluantes. Un projet de l’Union Européenne appelé FCSHIP qui vient de démarrer étudiera les applications marines de la pile à combustible.

D’un point de vue tout à fait différent, le passage à l’électricité dans les ports devrait être une règle de base pour l’industrie maritime.

Encadré38

Les navires à hydrogène seront un moyen de transport très respectueux de l’environnement dans le futur. Le secteur de la navigation a bénéficié d’une amnistie virtuelle de la part des règlements environnementaux sur les émissions de polluants. L’opinion de Bellona est que la navigation doit maintenant être soumise aux mêmes normes strictes que les autres secteurs du transport.

3.4 Navigation spatiale

Les piles à combustible PEM furent utilisées dans les sept vaisseaux spatiaux du programme Gémini de la NASA de 1962 à 1966. Les performances et la durée de vie des piles PEM étaient limitées à cause des membranes existantes à cette époque. D’autres problèmes étaient aussi posés par le système de traitement de l’eau.

Les piles à combustible alcalines ont été utilisées dans les programmes Apollo, Apollo-Soyouz et Sky Lab. La pile à combustible était développée par Energy Conversions et Pratt Whitney avec un apport de F.T. Bacon. Trois unités de puissance sous 28 Volt fournissaient l’électricité aux modules de commande et d’entretien à bord d’Apollo. Chaque unité fournissait 1,5 kW et pesait 125 kg en utilisant de l’hydrogène et de l’oxygène liquide. Les trois unités fonctionnaient en parallèle, et même si deux unités s’arrêtaient de fonctionner, le vaisseau devait pouvoir rentrer en toute sécurité. Au cours des 18 missions et plus de 10 000 heures de fonctionnement, aucun accident impliquant la pile à combustible n’a été constaté en vol.

Les navettes spatiales d’aujourd’hui sont équipées de trois piles à combustible de 12 kW qui fournissent toute l’énergie électrique à bord. Une seule des trois piles est nécessaire pour assurer un atterrissage en toute sécurité. L’eau produite dans la réaction électrochimique entre l’hydrogène et l’oxygène dans la pile à combustible est utilisée à la fois pour la boisson et le refroidissement de l’eau. Chaque unité pèse 130 kg et comprend 96 éléments avec des électrolytes en hydroxyde de potassium. Les piles à combustibles dans les navettes spatiales ont fonctionné pendant presque 80 000 heures lors de 98 missions.[IFC, 2000]

Les navettes spatiales utilisent aussi l’hydrogène comme carburant pour leurs moteurs principaux (SSME) lors du décollage.

3.5 Infrastructure

Photo39 – Bus à pile à combustible de MAN. (Photo : Kruse)

Le secteur des transports est sans doute le plus grand défi dans le cadre du ” critère d’émission zéro ” pour le futur. Le problème est que ce secteur comprend de nombreuses entités de rendement faible avec une demande forte d’une autonomie raisonnable. Les véhicules du futur devront être aussi solides mécaniquement, flexibles et économiques que ceux d’aujourd’hui – ce qui signifie aussi que l’on ne devrait pas nécessairement attendre du consommateur qu’il paie plus cher une mobilité durable.

Le secteur des transports a aussi examiné plusieurs alternatives pour le carburant (Borusbay et Nejat 1989 ; IEA 1994 ; Ogden 1995 ; Ogden et al. 1998 ; Thomas et al. 1998a), montrant que le meilleur choix est l’hydrogène – non seulement parce qu’il s’agit d’une ” solution à émission zéro “, mais aussi parce qu’il réduira la complexité des véhicules utilisant ce carburant directement et que les piles à combustible sont adaptées à une large gamme de types de transport. Rapidement dit, on estime que le rendement des véhicules passe de 20 à 40% quand on passe de l’essence ou du Diesel ordinaire à l’hydrogène et à la pile combustible.

Berry (1996), Amos (1998), Padro et Putsche (1999) et Lovins (1999) ont tous fait des évaluations sur le développement d’une infrastructure hydrogène. Une étude détaillée de Ogden (1999) pour la Californie se fonde sur une combinaison de stations service avec reformeur à vapeur et des électrolyseurs de production d’hydrogène à partir d’électricité. Au prix actuel du marché, le coût de production de l’hydrogène à partir du gaz naturel est environ un tiers de celui de l’électrolyse.

Il est évident que, dans la phase de démarrage de la construction d’une infrastructure, on devra utiliser des stations service avec électrolyseur pour créer des infrastructures locales en lien avec des projets de démonstration déterminés. Un groupement typique dans la zone d’Oslo pourrait être Gardermoen, le port et Fornebu. Ces infrastructures pourraient ensuite être reliées à des projets identiques à Telemark et Vestfold, autour des activités industrielles de la zone de Grenland. Bellona a aussi souligné que si l’on souhaite développer un réseau complet de 65 stations service à intervalle de 100 km, pour couvrir toute la Norvège du Sud en 2006, cela pourrait être réalisé avec une petite part seulement de la taxe CO2 actuelle (ref. au texte encadré).

La poule, l’œuf et les stations service

Personne ne voudrait acheter une voiture s’il ne peut pas faire le plein, et personne ne veut construire de stations service s’il n’y a pas de consommateurs. Ceci est souvent présenté comme un problème majeur, mais ce paradoxe n’est pas aujourd’hui si difficile à résoudre.

Ce dont on a besoin, c’est d’un réseau de petites stations service de façon qu’il soit possible d’aller n’importe où en voiture à hydrogène. Si ces stations étaient implantées tous les 100 km entre Steinkjaer et le sud, nous aurions un réseau complètement fonctionnel en Norvège du Sud. Les stations utiliseraient l’électrolyse avec une capacité de 100 voitures par jour, ce qui est suffisant pour alimenter quelques milliers de voitures.

Les stations ont été conçues et sont disponibles à un prix de 10 millions de couronnes norvégiennes (estimation prudente) ; la question est de savoir comment les financer.

En Norvège, nous payons 0,09 dollar de taxe CO2 par litre d’essence, et 0,06 dollar par litre de Diesel. Si nous retenons 0,006 dollar de cette taxe pendant 5 ans, nous pourrions financer un tel réseau. On a inclue une marge de sécurité de 50%.

Cela résoudrait le problème. Si le Parlement norvégien allouait cet argent tous les ans à partir de 2003, l’infrastructure pourrait être opérationnelle quand les voitures seraient commercialisées dans le public. Cette proposition est sans risque puisque l’argent ne serait pas utilisé jusqu’à ce que les voitures en soient à leur stade final de développement.

Bus à pile à combustible de MAN