Tout savoir sur les camions à hydrogène : l'avenir du transport durable

Étant donné que l'hydrogène est à la fois inépuisable et non polluant, il joue un rôle important dans la transition vers une économie à faible émission de carbone, voire une économie à zéro émission dans le cas de l'hydrogène renouvelable. Mais est-ce que ce gaz porteur d'énergie peut exploser ? Quels sont les risques liés à l'utilisation de l'hydrogène et quelles solutions existent pour limiter ces risques dans le domaine des transports ?

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Hydrogène : Un bref rappel des bases

Avec sa structure atomique simple, l'hydrogène est l'atome le plus léger dans le tableau périodique de Mendeleïev. C'est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers. En plus d'être incolore et inodore, H2 ou dihydrogène, composé de deux atomes d'hydrogène, est une molécule hautement énergétique. La combustion de 1 kilogramme de H2 libère environ trois fois plus d'énergie que la même masse de carburant pétrolier.

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Comprendre les propriétés de l'hydrogène pour garantir son utilisation en toute sécurité

Comme tout carburant, l'hydrogène présente un risque d'ignition ou d'explosion au contact de l'air et d'une étincelle ou d'une source de chaleur. Sa légèreté extrême - il est 14 fois plus léger que l'air - et sa vitesse de diffusion lui confèrent l'inconvénient de pouvoir s'échapper à travers la moindre ouverture, mais également l'avantage de se dissiper rapidement dans l'atmosphère, limitant ainsi le risque d'incendie dans les espaces ouverts.

En raison de sa petite taille atomique, l'hydrogène peut se diffuser dans le métal et modifier la structure cristalline, provoquant la fragilisation des matériaux métalliques, phénomène connu sous le nom de fragilisation par l'hydrogène. Il est donc important de sélectionner des matériaux appropriés pour la conception de systèmes d'hydrogène sécurisés.

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Véhicules à hydrogène : Conçus de manière innovante pour garantir la sécurité

L'intérêt pour les énergies à faible teneur en carbone a incité les fabricants à développer des systèmes permettant de produire, transporter, stocker et utiliser l'hydrogène en toute sécurité. Par exemple, dans les réservoirs des véhicules à hydrogène, tout est conçu pour éviter ou contrôler les fuites de gaz et réduire le risque d'inflammation en cas d'accident :

• Étanchéité robuste : Une doublure en polymère entourée d'une épaisse couche de composites haute résistance assure l'étanchéité du réservoir de carburant et peut résister à des impacts de 5 000 joules.
• Système entièrement contrôlé : Les véhicules sont équipés de capteurs stratégiquement placés pour détecter les fuites dans le système, ainsi que d'un disjoncteur pour couper le flux de gaz en cas de détection d'une fuite.
• Précautions contre l'incendie : Les vannes permettent d'évacuer en toute sécurité l'hydrogène du véhicule, évitant ainsi une surpression dans le réservoir.

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Une batterie de tests pour assurer la sécurité des véhicules à hydrogène

Les systèmes à hydrogène sont soumis à des normes de sécurité strictes, ce qui les oblige à subir toute une série de tests pour vérifier leur résistance aux températures extrêmes, aux produits chimiques, aux chutes, aux chocs, et ainsi de suite. Ils subissent même des tests balistiques pour vérifier leur résistance aux impacts ultra-puissants.

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Voir toutes les voitures à hydrogène sur Lhyfe Heroes.

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Pour remplir les réservoirs des véhicules propres et zéro émission, tels que les voitures, les chariots élévateurs, les tracteurs, les bus, les camions, les camions de collecte des déchets, les bateaux, les trains, etc., les stations de remplissage doivent être approvisionnées en hydrogène qui est traité, comprimé et livré depuis un site de production.  

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Le ravitaillement en hydrogène, aussi simple et rapide que le plein d'essence.

Commençons par souligner ce qui ne change pas ! Le plein d'une nouvelle voiture Mirai dans une station hydrogène est tout aussi simple que le ravitaillement d'une voiture à moteur à combustion conventionnel. Seule l'unité de remplissage est vraiment différente - l'hydrogène est mesuré en kilogrammes plutôt qu'en litres, mais tout le reste est similaire. Vous avez toujours votre pompe, votre embout, votre clavier terminal et votre écran d'informations, et surtout, le temps de charge n'est pas différent - en moins de cinq minutes, le réservoir est plein et la Mirai peut repartir pour environ 650 kilomètres.

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Dans les coulisses d'une station à hydrogène

Avant de pouvoir distribuer du carburant, une station à hydrogène doit d'abord accomplir plusieurs processus :

• Tout d'abord, l'hydrogène doit être stocké dans des racks de cylindres, des réservoirs ou des remorques-tubes.
• Il doit être comprimé (à 500 bars pour les véhicules fonctionnant à l'hydrogène à 350 bars et à 900 bars pour les véhicules fonctionnant à l'hydrogène à 700 bars, en fonction du type de véhicule).
• Ensuite, il doit être à nouveau stocké dans des réservoirs appelés tampons.
• Avant d'être distribué, l'hydrogène doit être refroidi à l'aide d'un échangeur et d'une unité de refroidissement (uniquement pour les stations à 700 bars).
• Seulement alors, l'hydrogène peut être utilisé pour remplir un réservoir via le tuyau et le pistolet du distributeur.

L'infrastructure des stations à hydrogène est construite en surface et est facile à installer, réparer et mettre à niveau.

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Qui installe les stations à hydrogène ?

Outre les développeurs et exploitants de stations-service - qui diversifient leur offre et promeuvent la mobilité propre à l'hydrogène - les collectivités locales, les entreprises, les fabricants ou les exploitants de flottes de véhicules/bus peuvent également installer leurs propres stations à hydrogène pour ravitailler leur flotte. Certains de ces opérateurs privés ouvrent également leurs stations au public.  

Dans certaines régions, des écosystèmes ont été mis en place pour co-développer des stations répondant aux besoins de tous les utilisateurs locaux.  

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Que proposent les stations d'hydrogène actuelles ?

L'offre d'une station à hydrogène peut être définie en fonction de quelques critères principaux :

• Compression : 350 bars et/ou 700 bars (ou 35 et/ou 70 MPa). Certaines stations à hydrogène ne fournissent que du 350 bars, certaines uniquement du 700 bars, et d'autres fournissent les deux.
• Capacité de stockage : Cela varie de quelques kilogrammes - pour alimenter une petite flotte de véhicules légers - à plusieurs tonnes d'hydrogène par jour pour le ravitaillement de camions, bateaux, avions, trains, etc.
• Débit de remplissage : Le temps de ravitaillement variera en fonction du débit de la station, du véhicule et du protocole de ravitaillement du véhicule.

Un signe que le secteur est déjà mature est qu'il existe une norme pour les stations à hydrogène - la norme SAE J2601 établit le protocole et les limites de processus pour fournir de l'hydrogène aux véhicules légers à pile à combustible électrique.

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Où se trouvent les premières stations d'hydrogène ?  

La France, qui prévoit dans son Plan Hydrogène d'installer plus de 100 stations à hydrogène en 2023, doit accélérer son réseau pour permettre aux particuliers et aux professionnels de ravitailler leurs véhicules dans un délai compatible avec les projets des constructeurs automobiles et des distributeurs de carburant.

Consultez la carte collaborative des stations.

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Que se passe-t-il sous le capot d'un véhicule à hydrogène ? Bien que de nombreuses personnes utilisent le terme "moteur à hydrogène", en réalité, les véhicules à hydrogène utilisent des moteurs électriques alimentés par de l'hydrogène. Les camions, voitures, tracteurs à hydrogène et autres sont en effet des véhicules électriques ou plus précisément des véhicules électriques à pile à combustible (FCEV).

Cependant, contrairement à la voiture électrique "classique" (qui devrait vraiment être appelée voiture électrique à batterie ou VE à batterie) - dont l'électricité est stockée dans la batterie pendant la charge - la "voiture électrique à hydrogène" génère sa propre électricité en utilisant une pile à combustible à hydrogène.

Pour utiliser un véhicule à hydrogène, l'utilisateur doit remplir le réservoir d'hydrogène plutôt que de recharger la batterie.

Il existe deux types de technologie de moteurs à hydrogène :

• Le VEH (véhicule électrique à hydrogène) : un véhicule électrique avec un moteur électrique alimenté par une pile à combustible - la plupart des véhicules à hydrogène disponibles aujourd'hui utilisent cette technologie.
• L'ICE (Internal Combustion Engine) : Un véhicule avec un moteur à combustion interne à hydrogène. Cette technologie, qui n'est pas encore sur le marché, est en phase de recherche et développement et intéresse des constructeurs tels que Toyota, Porsche et MAN. Ce type de moteur conserverait une grande partie du système de fonctionnement actuel du moteur et nécessiterait un minimum d'ajustements aux véhicules.

Qu'est-ce qui définit la puissance d'un moteur à hydrogène ?

Les Véhicules à Pile à Combustible (VPC) ont plusieurs paramètres de conception qui définissent la puissance d'un véhicule :

• Capacité de la batterie (en kWh)
• Puissance de la pile à combustible (en kW)
• Capacité de stockage d'hydrogène (en kg)
• Puissance totale du moteur en (kW)
  

En fonction de l'objectif du véhicule, les fabricants conçoivent différentes configurations de ces quatre éléments.

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Gaz ou hydrogène liquide ?

Ce sont les deux moyens de stocker l'hydrogène et chacun a ses avantages et ses inconvénients, selon l'objectif du véhicule. L'hydrogène liquide permet de stocker quatre fois plus d'hydrogène, mais la liquéfaction de l'hydrogène entraîne une moindre efficacité énergétique en raison de l'opération de liquéfaction supplémentaire. De plus, une fois qu'il est dans la voiture, il doit être utilisé très rapidement avant de se transformer à nouveau en gaz et de se dilater. Cela signifie qu'il doit être utilisé ou évacué ... et perdu !

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Comment fonctionne exactement une pile à combustible ?

Il existe plusieurs types de piles à combustible qui convertissent le carburant en énergie. La plus courante est la pile à combustible à hydrogène, qui convertit l'hydrogène (le carburant) en électricité (l'énergie), par la réaction électrochimique de l'hydrogène et de l'oxygène.

Ce processus, qui se produit instantanément, alimente le moteur électrique tout en ne rejetant que de l'eau.

Techniquement, la pile à combustible utilise une réaction de « redox » pour produire de l'électricité. Elle est composée de deux électrodes : une anode d'oxydation (émettant des électrons) et une cathode de réduction (collectant les électrons), séparées par un électrolyte, qui conduit directement les ions d'une électrode à l'autre et bloque les électrons, les forçant à passer par le circuit externe de la batterie.

Le réservoir alimente en continu l'anode en hydrogène, tandis que la cathode reçoit de l'oxygène (de l'air).

La plaque d'anode provoque l'oxydation du carburant et libère des électrons, qui sont forcés par l'électrolyte chargé d'ions (qui sépare les deux électrodes) à traverser un circuit externe. Ce circuit externe fournit donc un courant électrique continu qui alimente le moteur.

Une fois réunis dans la cathode, les ions et les électrons se recombinent avec de l'oxygène. Cette combinaison provoque une réduction qui, en plus du courant électrique, génère de la chaleur et de la vapeur d'eau pure, qui s'échappe sous forme de gaz par un petit tuyau placé sous le véhicule, soit pendant la conduite, soit en appuyant sur un bouton à la fin du trajet.

• Le réservoir alimente en continu l'anode en hydrogène, tandis que la cathode reçoit de l'oxygène (de l'air).
• La plaque d'anode provoque l'oxydation du carburant et libère des électrons, qui sont forcés par l'électrolyte chargé d'ions (qui sépare les deux électrodes) à traverser un circuit externe. Ce circuit externe fournit donc un courant électrique continu qui alimente le moteur.
• Une fois réunis dans la cathode, les ions et les électrons se recombinent avec de l'oxygène. Cette combinaison provoque une réduction qui, en plus du courant électrique, génère de la chaleur et de la vapeur d'eau pure, qui s'échappe sous forme de gaz par un petit tuyau placé sous le véhicule, soit pendant la conduite, soit en appuyant sur un bouton à la fin du trajet.

Le fonctionnement d'un moteur à hydrogène n'émet que de l'eau pure et est donc totalement propre, à condition que l'hydrogène utilisé comme carburant soit également complètement propre.