Mobilité électrique à batterie et à hydrogène : comprendre les différences technologiques et les cas d'usages

Le transport, secteur d’activité central dans une économie mondialisée, représente près de 14% des émissions au niveau mondial chaque année (GIEC 2014), selon la répartition suivante :

10% pour le transport routier (camions, voitures, bus, cars…)
2% pour l’avion
2% pour le maritime

Ainsi, pour répondre au défi de la transition énergétique et écologique, mais aussi à des enjeux sanitaires et de tarissement des réserves pétrolières, des technologies alternatives aux véhicules thermiques voient le jour et se démocratisent. Parmi les plus populaires, on trouve les véhicules électriques, dont le nom exact est véhicule électrique à batterie, et plus récemment à hydrogène, dont le nom exact véhicule électrique à pile à combustible.

Mais qu’est-ce qui différencie ces deux technologies, sur lesquelles l’Europe et la France investissent des sommes très importantes et à long terme ? Pour quels usages l’une serait plus intéressante que l’autre ? Nous essaierons dans cet article de donner des clés de lecture afin de comprendre, dans les grandes lignes, les différences entre la mobilité électrique et hydrogène, ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs à l’heure actuelle. Nous pourrons alors en déduire des pistes de réflexion sur les usages à considérer pour l’une comme pour l’autre.

Comme le précise cet article, les appellations d’hydrogène « vert », « bleu » ou « gris » sont amenées à évoluer. Nous parlerons ainsi d’hydrogène carboné, bas-carbone ou renouvelable. Ce sont les deux dernières catégories qui nous intéresseront dans un objectif de réflexions sur les mobilités bas-carbone.

Infrastructures nécessaires

Les infrastructures électriques sont déjà très bien en place en France : la quasi-totalité des foyers et bâtiments sont raccordés au réseau, il est donc plus simple d’y connecter de nouvelles installations (notamment des bornes de recharge de différentes puissances), et l’électricité est largement bas-carbone (nucléaire, hydraulique et EnR en tête). D’ailleurs, ce nombre de bornes en France devrait passer le cap des 100 000 d’ici la fin de 2021. À l’heure actuelle (mai 2021), ce nombre est aux alentours de 33 000.

Les bornes de recharge à domicile sont en revanche un vrai sujet de discussion. En effet, cela requiert un garage ou une place parking privé, que l’INSEE dénombre à 18,6 millions pour 34,8 millions de logements (2014), et si une installation s’avère facile pour une propriété privée individuelle, ce n’est pas le cas chez les propriétaires privés en habitat collectif : des contraintes techniques et réglementaires peuvent ainsi freiner leur développement. Il est cependant intéressant de remarquer que les logements collectifs neufs sont désormais obligatoirement (loi LOM) équipés pour accueillir facilement l’intégration des bornes.

L’hydrogène, contrairement à l’électricité, est une filière assez récente en ce qui concerne les usages autres que la pétrochimie, à l’image de la mobilité, et plus généralement comme carburant dans une pile à combustible. Il est donc tout à fait normal d’avoir des infrastructures moins matures à l’heure actuelle, et ce sur l’ensemble de la chaîne de valeur. En effet, la décision d’investissements massifs à hauteur de 7 milliards d’euros prise par la France ne date que de septembre 2020. De plus, l’hydrogène est historiquement produit à partir d’énergies fossiles (précisions en partie suivante) et donc fortement émetteur de GES, un facteur qui n’est pris en compte dans les débats que depuis peu. La décarbonation de sa production à grande échelle est donc également un défi pour la filière. Cela dit, beaucoup de projets et d’annonces émergent ces derniers mois et ce sur l’ensemble de la chaîne de valeur, en voici quelques exemples :

MassHYlia pour la production d’hydrogène renouvelable porté par Total et Engie
MosaHYc et hydrogen backbone pour le transport porté par GRTgaz
AUXR_H2 pour la production et la distribution multimodale (bus, trains et utilitaires) porté par Hymanics
Rachat de Helion Hydrogen Power par ALSTOM pour développer une expertise sur les PAC (pile à combustible, élément transformant l’hydrogène en courant électrique)

Mais au-delà des investissements et différents projets à venir, nous allons voir que de certaines caractéristiques techniques de l’hydrogène découlent des applications très intéressantes et impactantes, en particulier là où les véhicules thermiques restent difficiles à concurrencer, et ce malgré une certaine maturité des véhicules à batterie.

Production et stockage

L’hydrogène peut être produit de trois façons :

Carbonée, par vaporeformage ou gazéification, encore largement utilisé (plus de 95% de la production mondiale)
Bas-carbone, produit à partir d’électricité bas-carbone comme le nucléaire. Il peut également être produit à partir de sources carbonées mais dont les émissions ont été séquestrées (par des processus comme Carbon Capture and Storage ou Carbon Capture and Utilization)
Renouvelable, respectant le même seuil bas-carbone de production, mais utilisant cette fois-ci des sources renouvelables d’électricité, comme le solaire PV, l’éolien ou l’hydraulique, ou bien utilisant du vaporeformage/gazéification de gaz renouvelables comme le biométhane

Cependant, le passage de l’électricité à l’hydrogène (électrolyse), puis de l’hydrogène à l’électricité (pile à combustible), implique un rendement qui rendra le tout moins efficace énergétiquement que l’électrique classique, où les batteries ont d’excellentes performances (détails en partie 3).

L’hydrogène est par ailleurs un vecteur énergétique très pertinent pour le stockage de l’électricité : en effet, si l’électricité se stocke mal sur batterie à grande échelle, ce n’est pas le cas de l’hydrogène, un gaz ne nécessitant qu’un réservoir et éventuellement une mise sous pression. Ainsi, un surplus de production renouvelable pourrait permettre la production d’hydrogène à coût marginal quasi-nul en plus de participer à l’équilibre du réseau électrique (technologies du power-to-gas voire power-to-gas-to-power).

L’électrique à batterie, quant à elle, est une technologie très agile et flexible pour le réseau, permettant de passer de phase de charge à phase de décharge quasiment instantanément. Si les batteries indépendantes ne sont pas significatives en termes de capacité, elles le sont en revanche une fois cumulées (lorsqu’un nombre important de véhicules sont branchés sur le réseau par exemple). Il est alors possible d’utiliser cela en vecteur de stockage (bien moins puissant que l’hydrogène cependant) mais aussi d’injection de puissance sur le réseau, aidant au pilotage de celui-ci. Plus largement, cela permet une multitude d’applications liées à la technologie Vehicle-to-Grid, un sujet prospectif prometteur mais qui nécessite encore du temps avant d’arriver à maturité.

Les deux technologies semblent donc complémentaires pour permettre un stockage efficace de l’électricité à grande échelle, qui puisse venir en appui à l’équilibre du réseau électrique.

Caractéristiques techniques : coût, rapport poids-puissance, taille…

Sources : Collège de France, Bloomberg, ADEME, Connaissance des Energies, CNRS, Wikipédia

Ces chiffres représentent des ordres de grandeurs et/ou des moyennes, et peuvent évidemment changer au cas par cas (notamment le temps de recharge).

Par exemple, une Tesla Model S dotée d’une batterie de 100kWh (la plus importante) pourra parcourir 600km en une seule charge, et son temps de chargement complet peut aller de 17 minutes (sur une borne 350kW) à 33 heures (sur une prise domestique de 3kW). Le temps de recharge est donc à prendre en compte dans la réflexion de l’utilisateur selon les équipements à sa disposition lors de l’utilisation de son véhicule.

Si une voiture à hydrogène d’autonomie équivalente ne met que quelques minutes à se charger complètement au même titre qu’une voiture thermique en connectant le réservoir à une pompe, elle se heurte néanmoins au problème des stations : au nombre de seulement 49 en France toutes pressions confondues, et de 44 proposant une pression à 350 (standard pour tout type de véhicule hors vélo) ou 700 bars (standard dans les voitures par souci d’encombrement). Pour une voiture, il est donc possible d’utiliser les deux pressions, ce qui démultiplie l’offre de stations. Attention cependant, car les données d’autonomies constructeurs correspondent bel et bien à une pression de 700 bars, et donc supérieure à une recharge à 350 bars.

Mais au-delà des niveaux de maturité des technologies à batterie ou à hydrogène, ces données montrent en particulier que dès lors que de grandes puissances et quantités d’énergie embarquées dans le véhicule sont considérées, la batterie électrique voit son prix, sa masse, son volume et son temps de chargement s’envoler de façon linéaire. En revanche, les rendements sur la chaîne de valeur (power-store-power) sont bien plus intéressants pour les batteries et le prix du « carburant » aussi. Ces critères vont nous permettre de discuter de la pertinence de l’une ou de l’autre technologie selon les usages considérés.

Usages

Lorsque les capacités et puissances considérées sont relativement faibles, on va donc logiquement préférer la batterie électrique, notamment pour des raisons de rendement, coûts globaux et de commodité de rechargement. Les usages de l’électrique à batterie se prêtent donc très bien aux véhicules de relativement petites tailles et légers, dont l’utilité principale est les trajets relativement courts, mais également à certains usages de véhicules plus lourds, comme les bus ou camions (par exemple les Volta Trucks) de livraison urbaine qui réalisent également des trajets relativement courts.

La pertinence des véhicules à batterie est d’autant plus marquée lorsque la recharge pour un temps « acceptable » peut se faire sur une prise domestique. C’est pour ces raisons que, même s’il existe déjà des vélos à hydrogène, leur démocratisation n’a pas lieu comme celle des vélos à assistance électrique (batterie). Mais il est important de souligner que ces raisons sont liées à la maturité de la filière hydrogène et peuvent donc évoluer dans un avenir proche.

A l’inverse, les infrastructures de recharge des véhicules à hydrogène et leurs caractéristiques techniques en font un choix intéressant pour la mobilité lourde (et en particulier pour les trajets longs), nécessitant une importante puissance embarquée et n’ayant pas de problème d’encombrement pour un réservoir de forte capacité. Dans ce secteur de la mobilité, l’électrique à batterie, et ce malgré une maturité bien plus importante que pour l’hydrogène, se confronte à des limites techniques entraînant des surcoûts, un surdimensionnement, voire des performances inappropriées (autonomie par exemple). Et dès aujourd’hui, l’hydrogène pourrait d’ores-et-déjà être plus adapté pour ce type de cas d’usages. Pour pallier le principal problème actuel qu’est la rareté des stations de recharge et le choix de leur installation, il serait alors judicieux de considérer des véhicules qui quotidiennement se retrouvent à l’arrêt en un lieu précis, comme une gare, un dépôt, ou un centre d’entretien réservé spécifiquement à ces véhicules. On prendra pour exemples la flotte de bus RATP, les trains ou les camions-poubelles.

Ainsi, avec seulement quelques installations de recharge, de nombreux véhicules à forte consommation d’énergie auraient la capacité de rouler quotidiennement et se recharger, rapidement si nécessaire ou bien pendant la nuit, en hydrogène. Ces installations pourraient de surcroît être auto-productrices de cet hydrogène en se couplant avec des solutions PV ou éoliennes ! Le choix de la SNCF de commander des trains à hydrogène pour ses lignes non-électrifiées de TER n’est alors pas étonnant. C’est notamment le cas en Bourgogne Franche-Comté, où Alstom livrera 14 trains à hydrogène Csoradia dont 3 ont officiellement été commandés par la région, accompagnés d’une solution de production 100% renouvelable (portée par Hynamics) de l’hydrogène nécessaire, inaugurée à l’automne afin de créer un véritable écosystème de nouvelles mobilités propres (trains, bus, camions, utilitaires…).

Cas particulier de la voiture personnelle

Et à la frontière, floue et difficile à définir entre « gros » et « petits » véhicules, se trouve la voiture. En effet, pour ce type de véhicule particulier qui combine de nombreux et très différents usages (ville, route, longues et petites distances…), les deux technologies ont leur mot à dire :

L’électrique à batterie pour l’aisance de trouver un point de charge
L’hydrogène pour sa plus grande capacité d’autonomie, et sa vitesse de recharge

Les acteurs tels que l’Union Européenne ou les gouvernements semblent avoir fait le choix de l’électrique pour ce type de véhicule, en essayant de palier le problème de la vitesse de recharge par le déploiement de bornes à très fortes puissances. De plus, il est plus facile, pour l’usager, d’accepter qu’un long trajet mette plus de temps (inclure les temps de recharge) que de ne tout simplement pas savoir où effectuer sa recharge, ce qui serait le cas aujourd’hui pour un propriétaire de voiture à hydrogène en France. De plus, l’offre actuelle de voitures électriques à batterie est nettement plus importante que celle à hydrogène, cette dernière ne dénombrant que 4 modèles en France (commercialisés par Hyundai, Toyota et Mercedes).

La conjoncture est donc en faveur, assez largement, de la technologie électrique à batterie pour la voiture. Mais il n’est pas exclu de voir de forts développements se profiler dans la filière hydrogène qui, rappelons-le une fois de plus, n’en est qu’à ses débuts (déjà très prometteurs !).

Quoiqu’il en soit, la sortie des énergies fossiles pour le secteur des transports est à la fois inévitable et souhaitable. Cependant, assurer une livraison d’électricité bas-carbone en cas de massification de ces véhicules ne sera pas une mince affaire, tant sur la problématique d’équilibre du réseau électrique que sur la quantité d’hydrogène bas-carbone à produire.

Mobilité électrique à batterie et à hydrogène : comprendre les différences technologiques et les cas d’usages

Infrastructures nécessaires

Production et stockage

Caractéristiques techniques : coût, rapport poids-puissance, taille…

Usages

Cas particulier de la voiture personnelle

Pour aller plus loin :

Articles des blogs Wavestone en lien avec le sujet :

Sources des données techniques :

Adrien Cazaux

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