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Un camion électrique se trouve à une station de ravitaillement ou de recharge et est branché dans cette scène de transport et de logistique

Camions à hydrogène ou électriques, là est la question...

Dans un secteur connexe (le marché des véhicules privés), tous les signes sont favorables aux véhicules électriques. D’après un récent rapport de Bloomberg NEF, environ 5,6 millions de voitures électriques se sont vendues en 2021 dans le monde.

Ce chiffre est presque le double de celui de 2020 et, plus important encore, représente près de 8 % de toutes les ventes de véhicules dans le monde. Pour les analystes de Bloomberg, cela résulte d’un choix plus large de voitures électriques, désormais aussi sur le segment attractif des SUV.

La situation est différente pour les véhicules commerciaux. Les véhicules uniquement mus par une batterie électrique sont encore un problème pour le transport sur de longues distances car les batteries sont trop lourdes et trop volumineuses pour alimenter un camion de 40 tonnes et son chargement de façon raisonnable. Les véhicules alimentés à l’hydrogène semblent être une option plus réaliste en la matière. Cependant, l’hydrogène doit être produit par électrolyse, ce qui nécessite énormément d’énergie, raison pour laquelle les piles à hydrogène sont beaucoup moins efficaces que les batteries.

Quelle technologie prévaudra sur le long terme ?

Le problème avec les véhicules à batterie électrique est... la batterie

Les véhicules alimentés par batterie constituent un problème pour l’environnement du fait même de leurs batteries. Jusqu’à neuf tonnes d’équivalent de dioxyde de carbone, voilà ce que contient une batterie de voiture électrique avant même que celle-ci soit sortie de la chaîne de production. D’une part, cela est lié à la fabrication elle-même et, de l’autre, au cobalt, au graphite et au lithium utilisés.

Le graphite pour les batteries provient essentiellement de Chine et a une empreinte carbone importante. L’extraction du lithium peut entraîner une pollution de l’eau, des émissions chimiques toxiques et une pollution de l’air. Et le cobalt est tombé en disgrâce du fait des conditions de son extraction au Congo.

Lithium

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique élevée et des durées de vie longues, mais les méthodes de recyclage du lithium sont inefficaces. Moins de 1 % d’entre elles sont recyclées, contre un taux de recyclage de plus de 99 % pour les batteries plomb-acide. La demande de batteries ion-lithium devrait rapidement augmenter du fait de leur efficacité et d’un marché des véhicules à batterie électrique en pleine progression. Le secteur du recyclage se retrouve donc confronté à un défi majeur qui lui est propre. À l’avenir, les secteurs industriels qui consomment de grandes quantités de lithium devront élaborer leurs propres procédures et infrastructures pour recycler ce métal léger.

Un autre problème du lithium est sa disponibilité. Bien que son poids par rapport à la croûte terrestre soit faible (de l’ordre de 0,006 %), le risque que les réserves de lithium s’épuisent est faible. Le problème réside dans la nature chronophage de son extraction. Avec la généralisation des véhicules électriques, l’approvisionnement en lithium risque de s’avérer insuffisant car la production ne pourra simplement pas suivre le rythme de la demande. Une solution consisterait à développer de nouveaux types de batteries à base de calcium. Non seulement le calcium est 10 000 fois plus courant que le lithium mais il peut, en théorie, fournir les mêmes performances en matière de batteries que le lithium. Cependant, il existe encore des obstacles majeurs au développement de batteries à base de calcium. L’un d’entre eux est le manque de connaissances relatives aux matériaux de cathode capables de stocker et fournir de façon efficace et réversible du calcium. CATL, le plus grand fabricant actuel de batteries de voiture au monde, souhaite démarrer la production de masse d’une batterie sodium-ion ne nécessitant ni cobalt, ni lithium, ni cuivre, ni nickel dès 2023. Cependant, les batteries au sodium offrent encore une autonomie bien plus courte que les batteries au lithium.

Durées de charge

Le principal problème des véhicules alimentés par batterie est la longue durée de charge, un problème critique pour le transport routier où chaque minute compte. Cependant, des projets pilotes d’électrification routière sont déjà en cours dans le monde entier et une solution est attendue à l’avenir. En février 2022, des chercheurs de l’Université Aalto en Finlande ont informé d’une nouvelle technologie de transmission de l’électricité sans câbles ni prises. La possibilité d’un transfert d’énergie sans fil est connue depuis un certain temps et n’est pas une nouvelle en soi. Néanmoins, les systèmes antérieurs n’ont jamais été capables de charger des appareils susceptibles de se trouver n’importe où au sein d’un vaste espace. Le problème est que le débit d’électricité ne peut être maîtrisé lorsque plusieurs émetteurs se trouvent dans une même zone. Ces chercheurs ont élaboré une technologie de transmission de l’électricité qui fonctionne indépendamment de l’emplacement et de l’orientation de l’émetteur et du récepteur. Les robots d’entrepôt, les appareils de cuisine et les ordinateurs portables peuvent tous être chargés n’importe où au sein de la zone de chargement. Comme le transfert de puissance fonctionne même lorsque l’appareil est en mouvement, cette technologie pourrait un jour alimenter les véhicules électriques en cours de déplacement. 

Un camion à hydrogène sans émission roule sur une autoroute ensoleillée dans cette scène de transport et de logistique.

 

Les véhicules à hydrogène ne sont-ils pas préférables ?

Les véhicules à hydrogène partent également avec un handicap écologique : le réservoir d’hydrogène complexe qui y joue un rôle particulièrement important, tout comme le platine, qui sert de catalyseur dans la pile à combustible. D’après une étude du Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), les véhicules utilisant des piles à combustible ont de meilleurs résultats écologiques et des autonomies plus grandes que les véhicules alimentés par batterie. Les véhicules électriques ne présentent un avantage écologique que pour des distances plus faibles.

Par rapport aux véhicules alimentés par batterie, en particulier, les piles à combustible offrent l’avantage d’un ravitaillement rapide et d’un stockage suffisant de carburant pour les longs trajets.

Des frais de fabrication élevés

Un des problèmes de l’hydrogène est son coût de production. Celle-ci s’effectue généralement par électrolyse à MEP (membrane à électrolyte polymère) qui est considérée comme l’une des technologies les plus efficaces. Jusqu’à présent, l’électrolyse à MEA (membrane échangeuse d’anions) n’a joué qu’un rôle secondaire dans la production d’hydrogène car la performance et la durée de vie des solutions existantes étaient trop faibles. Cependant, des catalyseurs coûteux à base de métaux nobles et des membranes à base de perfluorocarbures sont utilisés dans les systèmes à MEP, d’où des coûts plus élevés. 

Néanmoins, la recherche s’intensifie désormais non seulement dans le domaine des véhicules à batterie électrique mais aussi dans celui des piles à hydrogène. Les chercheurs du Korea Institute of Science and Technology (KIST) ont développé une unité membrane-électrode pour les systèmes à MEA qui améliore de façon significative leur durabilité et leur performance tout en réduisant considérablement le coût de la production d’hydrogène écologique. L’unité membrane-électrode qu’ils ont élaborée est six fois meilleure en termes de performances que la technologie MEA antérieure et environ 1,2 fois meilleure que la coûteuse technologie MEP. Les scientifiques espèrent que leur avancée posera les fondements de l’introduction de la prochaine génération d’électrolyse de l’eau, dont l’objectif est de permettre des réductions importantes des coûts de production.

Surchauffe

De plus, il semble que cela soit la solution à un autre problème lié au fonctionnement des piles à hydrogène, à savoir la surchauffe, qui est un obstacle technique, surtout pour les véhicules à tonnage moyen et les poids lourds, comme les bus et les camions. Les piles à combustible actuelles fonctionnent à 60 à 80 °C et nécessitent de grands refroidisseurs et des arrivées d’air pour fonctionner. Cependant, les scientifiques du Los Alamos National Laboratory ont développé une nouvelle pile à combustible à polymère qui fonctionne à 80 à 160 °C et a une densité d’alimentation plus élevée. Cela signifie qu’il est maintenant possible de fabriquer des piles à combustible haute performance qui fonctionnent dans des conditions chaudes et sèches. De nouvelles recherches sont nécessaires avant que leur pile à combustible haute température n’atteigne la durabilité nécessaire pour des applications industrielles, mais cette nouveauté promet de constituer une solution pour le transport routier à tonnage moyen et lourd.

Des réseaux de stations de réapprovisionnement faibles

Il convient de mentionner le réseau de stations d’approvisionnement en hydrogène, qui est assez faible aujourd’hui malgré des évolutions dans ce domaine. D’après le site internet H2stations.org, 142 stations de réapprovisionnement en hydrogène ont ouvert dans le monde entier en 2021, un nombre particulièrement élevé à ce jour. En fin d’année, l’Europe avait plus de 228 stations d’approvisionnement, dont 101 en Allemagne, 41 en France et 19 en Grande Bretagne.

Le débat se poursuit

Jusqu’à présent, la course entre les camions électriques et à hydrogène n’a pas permis de les départager dans le secteur des poids lourds et nous ne savons toujours pas laquelle de ces deux technologies prévaudra ou si elles coexisteront. 

D’après une étude du Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI) en Allemagne publiée dans la revue Nature Electronics fin janvier 2022, la pile à combustible reste une application de niche ; les véhicules électriques à batterie prévaudront dans le secteur des véhicules commerciaux même pour les poids lourds. Le Dr. Patrick Plötz, coordinateur de l’Unité d’économie énergétique du Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI) en Allemagne, explique que, alors que les trajets des camions longue distance couvrant plus de 500 km par jour représentent un défi pour les véhicules électriques à batterie, les réglementations européennes stipulent que les chauffeurs routiers doivent faire une pause de 45 minutes toutes les quatre heures et demie. Cela signifie que des autonomies d’environ 450 km sont plus que suffisantes. Il faudrait une puissance de charge moyenne d’environ 800 kW pour charger un poids lourd pour un trajet de 400 km en 45 minutes (la norme actuelle permet d’aller jusqu’à 350 kW), mais une « nouvelle norme pour les systèmes de chargement en mégawatt est actuellement en cours d’élaboration, avec une puissance de charge qui devrait permettre des valeurs de plus de 2 MW ; on attend des précisions avant fin 2022, la norme définitive étant prévue en 2023. »

Pour Martin Daum, Président de Daimler Truck, les batteries et les piles à combustible des camions ne sont pas des technologies opposées : « il ne s’agit pas de choisir l’une ou l’autre mais plutôt d’associer les deux ». Dans un entretien avec le journal financier allemand Handelsblatt, il a déclaré : « une fois que 80 % des voitures et la moitié des camions de transport longue distance seront électriques, nous serons ravis à chaque fois qu’un camion fera le plein d’hydrogène. » Il explique « qu’autrement, dans chaque grande station-service, vous auriez 100 camions, d’une puissance de 700 kW chaque, alignés les uns à côté des autres en train de charger. 70 MW d’électricité seraient nécessaires. Et fournir une telle quantité d’énergie à des stations-service n’a rien de simple. » Et Michael Bernath, l’ingénieur développement chargé des camions à pile à hydrogène chez MAN, est du même avis. « L’hydrogène est la technologie complémentaire des véhicules électriques à batterie ».

Le Dr. Plötz ne nie pas que l’hydrogène a un rôle important à jouer en tant que carburant synthétique pour l’industrie, le transport maritime et l’aviation. Mais il avertit que, étant donnée l’urgence de la crise climatique pour le transport routier, le monde politique et le secteur sont impatients que l’hydrogène rattrape son retard et il conseille de se concentrer sur les véhicules électriques à batterie pour le transport des passagers et des marchandises. 

Conclusion

Les véhicules alimentés par batterie sont déjà produits en masse. Les piles à hydrogène seront prêtes pour une production en série dans les deux prochaines années. Des sociétés connues du secteur automobile investissent dans le développement de piles à combustible, comme Daimler Truck, MAN, Toyota, Hyundai, BMW, Renault et Opel. D’autre part, il y a des sociétés comme Traton SE qui parient clairement sur les batteries.

Les deux technologies profitent aussi du travail effectué dans les laboratoires de recherche universitaire. Les scientifiques font désormais état d’avancées en matière de technologies respectueuses du climat presque toutes les semaines. Il est donc très utile de suivre étroitement la situation actuelle dans le domaine de la recherche et du développement technique en dehors des frontières nationales.

La suite du développement dépend de décisions politiques, étant donné qu’en dernier lieu ce sont les états qui pilotent le développement selon le montant des financements qu’ils lui allouent.

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