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Reportages

Rouler à l'hydrogène

Par Joël Leblanc - 15/02/2018
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Dans le monde de l’automobile, on annonce depuis longtemps la révolution hydrogène. Et on l’attend toujours. Mais une alliance entre Toyota et le Québec pourrait enfin donner le coup d’envoi.

Décembre 2017, première tempête de l’hiver. Dans les rafales de poudreuse, je prends le volant pour un essai routier de la Mirai, première voiture à hydrogène qui sera bientôt commercialisée au Québec. Parti du bureau de Toyota Canada, à Brossard, je conduis la voiture en essayant sans succès de déceler des particularités dans son comportement. Côté passager, Patrick Ryan, directeur des ventes, sourit : « C’est justement l’intention de Toyota : que la conduite ne se démarque pas de celle d’une voiture électrique. On ne veut pas brusquer les consommateurs avec un produit trop différent. »

En plus du silence du moteur, je ressens une certaine félicité à l’idée de ne produire pratiquement aucune émission polluante (voir l’encadré « Propre, l’hydrogène? »). Tout ce que la voiture laisse dans la tempête, c’est un peu de vapeur d’eau. Arrivés à destination, nous passons derrière le véhicule qui largue quelques tasses d’eau fumante sur la chaussée enneigée.

Résultat de 25 années de recherche et développement par Toyota, la Mirai – qui signifie « futur » en japonais – est d’abord une voiture électrique. Toutefois, l’électricité qui alimente son moteur ne provient pas de batteries, mais d’une pile à combustible alimentée en hydrogène.

La combinaison de l’hydrogène avec de l’oxygène est une réaction qui fournit de l’eau, mais aussi beaucoup d’énergie – d’où sa réputation explosive (voir l’encadré « Un gaz explosif », à la page 39). Ainsi, la combustion de 1 kg d’hydrogène fournit près de 142 mégajoules d’énergie, soit 3 fois plus que l’essence (47 mégajoules par kilogramme).

Mais, dans une pile à hydrogène, il n’y a pas de combustion; on contrôle plutôt la rencontre de l’hydrogène avec l’oxygène de l’air afin d’en récupérer l’énergie – sans explosion. C’est possible en acheminant les deux gaz de part et d’autre d’une membrane sélective. On leur permet alors de s’associer en leur soutirant l’énergie sous forme électrique. Une pile complète est en fait constituée d’un empilement de dizaines de membranes; ainsi, elle produit assez de courant pour alimenter le moteur.
Cette façon d’obtenir de l’électricité est exploitée depuis longtemps par les constructeurs. Déjà, en 1966, General Motors expérimentait l’Electrovan, premier véhicule équipé d’une pile à hydrogène. Depuis, de nombreux fabricants ont annoncé l’arrivée de cette voiture sans que la magie opère.

Pourtant, au tournant du XXIe siècle, les experts en économie et en énergie présentaient l’hydrogène comme une source propre et infinie. Elle devait être un incontournable du portrait énergétique mondial. Depuis la voiture jusqu’à l’alimentation des bâtiments, les enthousiastes prédisaient que la révolution se réaliserait dans 5 ou 10 ans. Toutefois, en 2018, on ne compte qu’une poignée de pays où roulent des voitures à hydrogène. Environ 3 000 exemplaires de la Mirai circulent sur les routes, principalement au Japon et aux États-Unis, mais aussi dans quelques pays européens. Sur notre continent, c’est en Californie qu’on trouve le plus de véhicules à hydrogène de toutes marques : environ 3 000 pour 45 stations d’hydrogène. Le Québec verra arriver la Mirai dès cette année. Les 50 premiers exemplaires sont réservés à des employés gouvernementaux et des partenaires de Toyota, mais les ventes devraient s’ouvrir au public dès 2019.

Le Japon est toutefois en train de prendre une bonne longueur d’avance. « Les Jeux olympiques de Tokyo en 2020 seront les jeux de l’hydrogène, explique Patrick Ryan. Taxis et autobus à hydrogène transporteront les visiteurs et les athlètes dans toute la ville, et les bâtiments olympiques seront aussi alimentés en électricité par des piles à hydrogène. » Un demi-milliard de dollars ont été investis par le gouvernement nippon pour accélérer la transition vers l’hydrogène.

Québec, terre d’hydrogène ?
Le Québec, déjà engagé dans l’électrification de ses transports, a-t-il avantage à adopter aussi l’hydrogène ? « La voiture à hydrogène offre le meilleur des deux mondes. Comme la voiture électrique, il y a absence de pollution et, comme la voiture à essence, on peut faire le plein rapidement; son autonomie tourne autour de 500km par plein», soutient Johanne Gélinas, présidente-directrice générale de Transition énergétique Québec (TEQ). L’organisme gouvernemental a été mis en place par le ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles (MERN) en 2017 pour assurer l’atteinte des cibles de la politique énergétique du Québec.

En septembre dernier, Johanne Gélinas a rencontré les dirigeants de Toyota Canada et visité les installations du fabricant au Japon. «Toyota souhaite travailler avec nous pour implanter des infrastructures de distribution de l’hydrogène sur notre territoire, en parallèle avec l’arrivée de la Mirai. La société voit le Québec comme un nouveau banc d’essai pour le déploiement de la filière hydrogène, après le Japon et la Californie. À moyen terme, il y aura des stations de remplissage d’hydrogène un peu partout le long de l’axe Québec-Montréal.» Les deux premières stations commerciales devraient être inaugurées en septembre 2018, une dans chaque ville.

Et pourquoi Toyota s’intéresse-t-elle au marché québécois pour implanter le tout-hydrogène ? Il faut d’abord savoir que l’hydrogène gazeux n’existe pas dans la nature. Il faut impérativement le générer en utilisant une source d’énergie. Une des méthodes pour produire l’hydrogène est l’électrolyse de l’eau grâce à laquelle on sépare les molécules de H2O en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Cet hydrogène est ensuite stocké et distribué.

Le hic, c’est que l’électrolyse de l’eau nécessite beaucoup d’électricité, de même que des métaux coûteux qui servent de catalyseurs. La méthode n’est intéressante que si on a une abondante source d’électricité bon marché – et de l’eau. Ce que l’on trouve au Québec, indique Stephen Beatty, vice-président et secrétaire général de Toyota Canada. « La province peut fournir beaucoup d’électricité propre pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, estime-t-il. Le Québec est peut-être petit, mais c’est la province canadienne où le taux d’adoption des véhicules électriques est le plus élevé.»



L'auto qui n’a pas froid aux yeux
À l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), l’effervescence envers l’hydrogène se fait aussi sentir. C’est là qu’est installé l’Institut de recherche sur l’hydrogène (IRH) depuis le milieu des années 1990. « Toyota s’intéresse à nos travaux sur les piles à hydrogène et sur de nouveaux types de réservoirs », confirme Richard Chahine, directeur de l’Institut. Devant la fenêtre de son bureau, une éolienne de 10 kW tournoie, juste à côté d’une station de remplissage d’hydrogène. «Elle sert pour nos recherches, précise le scientifique. C’est la seule station au Québec, pour le moment ! »

Ici aussi, on me propose un essai routier avec la version hydrogène du Tucson, véhicule utilitaire du fabricant coréen Hyundai. J’en profite pour jeter un œil sur la fameuse station de remplissage. Le pistolet de distribution ressemble à ceux des stations-services conventionnelles, à l’exception d’un mécanisme automatique de verrouillage pour assurer l’étanchéité lors du plein. « Pas besoin de formation spéciale, tout le monde pourra faire le plein de façon spontanée », m’explique Loïc Boulon, enseignant-chercheur en génie électrique et informatique à l’IRH.

Un plein ultra rapide, qui plus est : trois à cinq minutes pour remplir le réservoir, contrairement à quelques heures pour recharger les batteries d’un véhicule électrique.

Et contrairement à sa consœur à batte- ries, la voiture à hydrogène ne craint pas les basses températures. « Une voiture électrique est handicapée par le froid qui ralentit les réactions chimiques dans ses batteries, explique Loïc Boulon. Elles ne peuvent ainsi livrer qu’une fraction de leur énergie pour rouler et chauffer l’habitacle. »

Chez Toyota, la Mirai a effectivement été conçue afin de pouvoir affronter le dur climat québécois. « Les piles à combustible doivent être humides pour produire de l’électricité, explique Jackie Birdsall, ingénieure séniore chez Toyota en Californie. Notre défi a donc été de les faire fonctionner sous le point de congélation. J’ai mené de nombreux tests à Yellowknife avec nos prototypes. Essentiellement, après chaque utilisation, la voiture purge sa pile à combustible de toute l’eau pour éviter le gel. C’est ce qui lui permet de fonctionner au démarrage suivant. Même à -40 °C, la Mirai redémarre mieux que certaines voitures à essence. »
 
Un gaz explosif
Moins dense que l’air – et que l’hélium –, l’hydrogène a déjà été utilisé pour remplir l’enveloppe des grands dirigeables et les faire voler. Mais il a fallu l’écarter à cause de sa très grande inflammabilité, comme le rappelle la catastrophe du Hindenburg, en 1937. L’immense dirigeable allemand de 245m s’était embrasé et entièrement consumé en moins de 40 secondes dans le ciel du new Jersey.

Voilà pourquoi l’hydrogène traîne une réputation «explosive» qui pourrait inquiéter les acheteurs de voitures. En cas d’accident, finira-t-on comme le Hindenburg? «Les gens avaient la même inquiétude lors de l’arrivée de la voiture à essence, rappelle en souriant Loïc Boulon, de l’Institut de recherche sur l’hydrogène. On travaille à concevoir des réservoirs en matériaux composites d’une extrême solidité qui résistent à la pression du gaz et qui gardent leur intégrité en cas d’accident. Le public peut être rassuré, ces réservoirs sont quasi indestructibles.»

Les défis
Avec autant d’avantages, pourquoi la voiture à hydrogène n’est-elle pas déjà présente sur les routes du Québec et du reste du monde ? C’est avant tout un défi d’infrastructures. Une station de remplissage coûte au minimum 2 millions de dollars, car elle requiert un équipement spécialisé. C’est que l’hydrogène est capricieux. « Un seul kilogramme d’hydrogène occupe un volume si grand qu’il faudrait un réservoir de 90 L pour le contenir. Il faut donc le compresser, jusqu’à 700 fois la pression atmosphérique pour commencer à avoir une densité énergétique par volume comparable à celle de l’essence », explique Pierre Bénard, enseignant de physique à l’UQTR et chercheur à l’IRH.

Le prix à la pompe risque aussi d’en rebuter certains. En Californie, le coût en hydrogène pour franchir 100 km s’élève à 17,50 $. En comparaison, la même distance coûte 13 $ si on la parcourt avec une voiture à essence, et seulement 1,25 $ avec un véhicule électrique à batterie.

Mais les efforts pour surmonter ce défi pourraient être payants à court terme pour le Québec. « L’intérêt de développer l’hydrogène chez nous se trouve surtout de l’autre côté de la frontière, avance Johanne Gélinas de TEQ. Déjà, le nord-est des États-Unis compte un certain nombre de voitures à hydrogène, qui devrait croître rapidement. Là-bas, l’hydrogène est surtout produit à partir de gaz naturel, ce qui entraîne l’émission de gaz à effet de serre. Avec notre potentiel hydro-électrique, nous pourrions devenir des producteurs d’hydrogène propre et le revendre pour alimenter les voitures américaines. Et pourquoi pas ailleurs dans le monde ? »

Le Québec, la nouvelle Arabie de l’hydrogène ? Si Toyota mène le bal dans le développement de la voiture à hydrogène, elle est talonnée de très près par Honda, BMW, Hyundai et Audi. Dès les premières stations de remplissage installées, les modèles de voiture à hydrogène pourraient bien se multiplier sur nos routes et celles du nord-est des États-Unis. La demande en hydrogène ira en augmentant et le Québec pourrait devenir un fournisseur incontournable. Encore des promesses de révolution...

Cette fois, est-ce la bonne ?

>>> Cet article est tiré du numéro de mars 2018.
 
Propre, l’hydrogène ?

En termes de gaz à effet de serre (GES), la production d’hydrogène n’est pas nécessairement blanche comme neige.

L’électrolyse de l’eau nécessite de l’électricité. Si celle-ci peut provenir de barrages hydro-électriques, d’éoliennes ou de panneaux solaires, elle peut aussi être générée par des centrales thermiques qui brûlent des combustibles fossiles, comme le gaz naturel ou le charbon. Pour la propreté de l’hydrogène, on repassera. Cela dit, ces usines devraient, un jour, capter et séquestrer leur CO2, ce qui pourrait améliorer le bilan environnemental de l’hydrogène ainsi produit.

Mais, même propre, l’hydrogène d’origine électrique a un coût énergétique élevé en raison des nombreuses conversions qui entraînent des pertes à chaque étape du processus. Par exemple, depuis la centrale électrique jusqu’au moteur de la voiture, en passant par la production d’hydrogène, puis la regénération d’électricité dans une pile à combustible, les pertes sont de 75 %. Il faut donc quatre kilowattheures d’énergie éolienne pour avoir un seul kilowattheure dans la voiture.

C’est pourquoi, pour le moment, il revient moins cher de produire de l’hydrogène par vaporeformage d’hydrocarbures. Cette méthode consiste, entre autres, à prendre du gaz naturel pour le faire réagir avec de la vapeur d’eau en présence de chaleur. On obtient alors le H2 désiré, mais aussi du CO2 ! À l’échelle mondiale, c’est actuellement la technique la plus courante pour générer de l’hydrogène.


 

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