Voitures hybrides et carburants alternatifs tels que l'hydrogène et les e-fuels

La méthode la plus simple pour produire de l’hydrogène est l’électrolyse. L’électricité permet ainsi de décomposer l’eau en ses deux composants que sont l’hydrogène et l’oxygène. Ce processus est certes énergivore et donc coûteux, mais il est entièrement renouvelable. En réalité, l’hydrogène est aujourd’hui produit à 95 % à partir de sources d’énergie fossiles, majoritairement du gaz naturel. Le carbone qu’il contient est alors rejeté dans l’atmosphère sous forme de CO2. Neuf litres d'eau sont nécessaires pour fabriquer 1 kg d'hydrogène.

L’hydrogène est également coûteux à manipuler et à transporter. Pour liquéfier le gaz, il doit être refroidi à -250°C, ce qui coûte extrêmement cher en énergie. En tant que gaz, l’hydrogène prend beaucoup de place. C’est pourquoi, les voitures à pile à combustible stockent le carburant à 700 bars dans des réservoirs en fibres de carbone. De plus, l’hydrogène étant très volatile et réactif, cela génère de nombreux autres obstacles techniques lors du transport et du ravitaillement.

En savoir plus sur le sujet : L’hydrogène passé au crible

En fonction du mélange, une essence ordinaire contient plus de 150 constituants différents essentiellement composés de deux éléments principaux: l’hydrogène et le carbone. Ces éléments peuvent être combinés de multiples façons et constituent la base des carburants synthétiques. Il existe différentes méthodes de fabrication qui reposent pour l’essentiel sur le même principe.

1. Produire de l’hydrogène avec de l’électricité

Pour produire le premier élément des e-carburants, il faut seulement de l’eau et une grande quantité d’électricité. Grâce à l’électrolyse, un processus très énergivore, l’eau est décomposée en ses éléments et l’on obtient de l’hydrogène et de l’oxygène comme produit dérivé, qui ne sera généralement pas réutilisé.

2. Obtenir du carbone à partir du CO2

Obtenir le second élément, le carbone, est plus complexe. Certes, le carbone est présent en grandes quantités dans la terre, mais ses émissions doivent être évitées pour ne pas en accroître les quantités déjà présentes dans l’atmosphère. Et lors de la combustion des e-carburants, le carbone qu’ils contiennent est également rejeté dans l’atmosphère sous forme de CO2. La solution est le captage du CO2, un procédé qui consiste à extraire le CO2 des rejets gazeux industriels, voire directement de l’air ambiant. Les installations CCU (Carbon Capture and Utilization) utilisées à cet effet sont volumineuses et nécessitent une grande quantité d’énergie pour le filtrage du CO2.

3. Lier l’hydrogène au carbone

L’hydrogène est ensuite lié au CO2 au moyen d’un procédé chimique. Le gaz de synthèse ainsi obtenu peut ensuite être traité et raffiné dans un processus à plusieurs étapes afin de fabriquer des carburants tels que l’e-essence, l’e-diesel ou l’e-kérosène.

Des carburants comme l’essence de synthèse ont un avantage de taille par rapport aux autres carburants issus de ressources renouvelables: ils concentrent une très grande quantité d’énergie dans un volume et un poids restreints. Dans l’industrie aéronautique par exemple, les batteries actuelles sont 7 fois trop volumineuses et 20 fois trop lourdes pour propulser un avion de ligne long-courrier par l’énergie électrique. Les e-carburants constituent aujourd’hui une alternative judicieuse aux carburants fossiles.

Qu’en est-il de l’utilisation des e-carburants dans les voitures?

Dans les voitures électriques aussi, les batteries sont plus volumineuses et plus lourdes que les réservoirs de carburant et, de surcroit, des millions de voitures à moteurs à combustion devront être mises durablement hors circulation. La question se pose alors de savoir s’il serait judicieux de remplacer le carburant plutôt que les voitures.

Le premier problème est la disponibilité: l’offre d’e-carburants est aujourd’hui encore très limitée. Située au Chili, la plus grande installation pilote doit garantir une production annuelle de 550 millions de litres à partir de 2026 à des coûts nettement plus élevés que ceux de l’essence et du diesel fossiles. Cette quantité produite représente à peine à 10% de la consommation de carburant en Suisse et à moins de 1% de la consommation de carburant en Allemagne.

Les besoins énergétiques des e-carburants constituent un défi encore plus important: si l’on considère uniquement la phase de fabrication, ils nécessitent deux fois plus d’énergie qu’ils n’en fournissent et, dans le moteur à combustion, plus des deux tiers de cette énergie sont perdus. Concrètement, cela signifie qu’une voiture conventionnelle propulsée par un e-carburant nécessite, dans le meilleur des cas, cinq fois plus d’électricité qu’une voiture électrique.

L’industrie automobile est arrivée à la même conclusion: au vu de la situation en juillet 2022, d’ici à 2035, déjà trois quarts des constructeurs automobiles en Europe souhaitent commercialiser uniquement des véhicules électriques. Si l’on additionne les objectifs de flotte de tous les constructeurs automobiles, 84% des voitures neuves en Europe seront entièrement électriques d’ici cette date. Quant aux constructeurs restants, une grande partie de leur flotte de nouveaux véhicules sera également électrique.

Conclusion: nous devons nous libérer du pétrole et les e-carburants auront sans nul doute un rôle crucial à jouer pour y parvenir. Leur utilisation est judicieuse là où il n’existe pas de solution plus efficiente. Pour ce qui est des voitures de tourisme, la question semble réglée: tant que les carburants ne seront pas disponibles en grandes quantités, les constructeurs proposeront uniquement des véhicules électriques en raison des besoins énergétiques nettement plus faibles. Dans le trafic lourd, la question de l’adoption des e-carburants reste encore ouverte car des moteurs plus efficients présentent en fin de compte des coûts d’exploitation plus faibles et la part des carburants dans les coûts d’exploitation du trafic des marchandises est élevée. Les e-carburants seront toutefois indispensables dans le transport maritime et aérien pour une exploitation respectueuse de l’environnement. Mais leur utilisation pour le trafic routier devrait se limiter aux véhicules anciens et d’exception.

Les voitures équipées d’une motorisation hybride rechargeable, abrégée PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), sont conçues pour parcourir de grandes distances en mode purement électrique. En règle générale, elles ont une autonomie de 30 à 120 kilomètres avant que le moteur thermique ne prenne le relais. Comme leur nom l’indique, les PHEV sont équipés d’un connecteur pour recharger leur batterie sur le réseau électrique. Ils sont donc capables d’effectuer des trajets quotidiens sans consommer de carburant, à condition d’être rechargés quotidiennement.

Le prolongateur d’autonomie n’est rien d’autre qu’un générateur qui permet d’augmenter l’autonomie d’une voiture électrique en cas de besoin. Il s’agit généralement d’un petit moteur thermique, mais qui n’est relié mécaniquement qu’à un générateur et non au système de propulsion. On parle également ici d’une propulsion hybride en série.

On parle de voiture électrique à batterie ou BEV (Battery Electric Vehicle).

Les moteurs électriques présentent de nombreux avantages par rapport aux moteurs thermiques. Comme ils sont légers et compacts, les moteurs électriques peuvent être installés de manière flexible sur les essieux avant et arrière. Leur large plage de vitesses rend une boîte de vitesses manuelle superflue dans la plupart des cas. L’embrayage pour le démarrage est également totalement supprimé car à l’arrêt, les moteurs électriques peuvent générer du couple sans tourner à vide. Ce couple régulier, qui ne génère pratiquement pas de vibrations ou de bruit, peut être sollicité en quelques millisecondes et même être inversé par le système de commande pour freiner le véhicule. Dans ce mode de freinage régénératif, le moteur fonctionne comme un générateur qui récupère l’énergie générée au freinage et la réinjecte dans la batterie.

L’efficacité est le plus grand atout des voitures électriques: si on recharge une voiture électrique avec dix francs de courant, plus de sept francs de courant sont transmis aux roues. Pour le moteur thermique, c’est l’inverse: sur dix francs d’essence, plus de sept sont transformés en chaleur perdue.

Les véhicules à pile à combustible ou FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) sont des voitures électriques qui sont ravitaillées avec un combustible plutôt que directement avec de l’électricité. Il existe certes différents types de piles pour des substances telles que le méthanol ou le méthane, mais le type le plus important est de loin la pile à combustible à hydrogène.

Dans la voiture à pile à combustible, l’hydrogène provenant d’un réservoir à haute pression est combiné à l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité. Le seul déchet est l’eau. Une petite batterie offre de la capacité de stockage pour le freinage régénératif et soutient la pile à combustible lors des fortes accélérations, mais elle est beaucoup plus petite que dans une voiture électrique à batterie.

L’avantage de l’hydrogène par rapport aux batteries réside dans le poids et le temps de remplissage. En particulier pour les voitures à grande autonomie, les batteries lithium-ion sont très lourdes, ce qui entraîne une augmentation de la consommation et une diminution de la charge utile. Ce gaz extrêmement volatile et inflammable présente toutefois d’autres obstacles techniques. Pour que les réservoirs n’occupent pas trop de place dans la voiture, l’hydrogène doit être comprimé à 700 bars. De plus, environ 40 % de l’énergie est perdue lors de la production d’hydrogène et environ 50 % lors de la transformation dans la pile à combustible: au final, une voiture à pile à combustible consomme environ trois fois plus d’électricité par kilomètre qu’une voiture électrique à batterie.

Les voitures fonctionnant au gaz naturel ont, en plus de leur réservoir d’essence, un réservoir sous pression pour le gaz naturel comprimé, ou CNG (Compressed Natural Gas). Les moteurs à essence traditionnels sont en grande partie compatibles avec le gaz naturel et peuvent même souvent être modifiés ultérieurement. Le gaz naturel est un carburant fossile non renouvelable, composé en grande partie de méthane. Comme le méthane contient moins de carbone que l’essence, les émissions de CO2 des moteurs thermiques fonctionnant au gaz naturel sont inférieures de 20 %, mais le méthane est lui-même un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le CO2.

Le gaz de pétrole liquéfié, également appelé GPL ou LPG (Liquified Petroleum Gas), est utilisé comme carburant pour les moteurs à essence, tout comme le gaz naturel, mais les deux technologies ne sont pas compatibles entre elles. Composé majoritairement de propane et de butane, le GPL est obtenu en partie lors de l’extraction du gaz naturel et du pétrole, et en partie lors du raffinage du pétrole. Contrairement au gaz naturel, qui est stocké sous haute pression, le GPL se liquéfie à moins de 10 bars. En tant que carburant, le GPL occupe la troisième place dans le monde après l’essence et le diesel, mais il ne s’est jamais imposé en Suisse d’autant que les voitures équipées d’un kit GPL à leur sortie d’usine n’y ont pas été importées. De plus, la garantie d’usine n’est plus valable lorsqu’on équipe ultérieurement son véhicule avec un kit GPL pour environ 4'000 francs, ce qui est cher, et les propriétaires de parkings souterrains peuvent lui refuser l’accès.

Comme le gaz naturel, le biogaz est principalement composé de méthane et peut être utilisé dans les mêmes véhicules. Mais contrairement au gaz naturel fossile, il est obtenu à partir de la fermentation de la biomasse et est donc un carburant renouvelable. La valorisation des eaux usées et des déchets biologiques en biogaz est déjà courante dans de nombreux pays et n’offre qu’un faible potentiel de croissance. Il est également possible de cultiver des plantes directement pour la production de biogaz, mais cela n’aurait pas beaucoup de sens en raison de la consommation énergétique élevée de l’agriculture ainsi que de son utilisation du sol.

L’éthanol est surtout connu sous le nom d’alcool ordinaire ou d’alcool à brûler. Outre ses propriétés de stupéfiant et de solvant, l’éthanol sert également de carburant pour les moteurs à essence. Dans de nombreux pays, il est courant de mélanger de petites quantités de bioéthanol à l’essence. Mais les mélanges avec un taux élevé d’éthanol, comme le E85 (85 %), voire avec 100 % d’éthanol (E100) sont également répandus. En Europe, la plupart des voitures à essence supportent jusqu’à 10 % d’éthanol, tandis que les véhicules à carburant modulable peuvent rouler avec n’importe quel mélange.

Le bioéthanol est certes un carburant renouvelable à base de plantes, mais des produits tels que le maïs, la betterave à sucre ou la canne à sucre sont souvent utilisés comme matière première. Leur culture nécessite une grande quantité d’énergie et entre souvent en concurrence avec la culture de denrées alimentaires.