Le véhicule de demain: à hydrogène ou à batterie? / What vehicle for to-morrow: battery electric or hydrogen?

What will be the propulsion mode of the vehicle of tomorrow? Two major options are currently being considered. Both rely on electric propulsion, but the energy is stored either in an electrochemical form in a battery (BEV vehicles) or in the form of hydrogen generating electricity in a fuel cell  (FCEV vehicles). The April 15 IDées meeting provided an update on this issue. Battery vehicles currently seem to be favored by most major decision makers. Volkswagen has made a case for the battery-powered car, both in terms of primary energy consumed and CO2 emitted. In fact, the match is not played yet and it is necessary to compare these two types of solutions, point by point. It is possible first of all to compare commercial vehicles, for example the Toyota Mirai (78 900 €, 5 kg H2) and the Tesla (112 200 €, 100 kWh). Then you have to take into account the recharge time, very fast in the case of hydrogen, much longer in the case of the battery.

If the consumption of the electric vehicle is 200 Wh/km on average, with 100 kWh of stored energy the range extends to 500 km. That's as much as the Toyota Mirai offers with its 5 kg of hydrogen. In hot weather, the consumption of the air conditioning system can lose up to a third of the autonomy, equivalent for both types of vehicles. On the other hand, in cold weather, the battery-powered vehicle can lose up to 60% of autonomy, while the hydrogen vehicle, whose fuel cell emits heat, is hardly affected.

In terms of the purchase cost, there are significant differences by vehicle, but it is difficult to predict a decisive advantage over one of the two types of vehicles by 2040. In use, the cost of hydrogen remains high: 15 € per kg of certified green hydrogen. Given a consumption of about 1 kg per 100 km, we arrive at a cost of 15 c, that is to say the price of one electric kWh, with which a battery electric vehicle travels 5 km. In the case of current diesel, for a price of 1.5 €/liter, we arrive at a cost of 9 c per km. In this respect, hydrogen seems clearly disadvantaged.In terms of infrastructure, the battery-powered vehicle is much better positioned , with 25,000 stations in France against only about twenty in the case of hydrogen. In China, the gap is even more obvious with 200,000 electric charging stations but only 6 hydrogen stations. In addition, it is possible to charge an electric car at home, although this poses problems in collective housing. The number of hydrogen stations will increase. France is targeting 400 to 1,000 stations by 2028 and China 3,000 by 2030. Nevertheless, the battery-powered vehicle remains much better placed.

We must also consider the environmental balance. Currently, the carbon footprint of a battery is 175 kg of CO2 emitted per kWh stored, or more than 17 t for a 100 kWh battery, ie more than a hybrid or diesel car. produced over 150 000 km. The bottom line can be improved by building batteries in countries where electricity is low in carbon content, but the main current supplier remains China. On this point, the advantage lies in the hydrogen-powered vehicle, whose fuel-cell and fuel-cell represents only about 3 tonnes of CO2 emitted during manufacture. The carbon footprint in operation depends strongly on how electricity is produced. In the case of a battery vehicle, we arrive at 20 g of CO2 per km in France, but 100 g in the United States and 140 g in China. This is compared to a level of 100 g of CO2 emitted in a hydrogen produced from natural gas, a level close to that obtained in the case of a recent diesel vehicle. By using low-carbon electricity, this level can be significantly lowered. A battery requires large amounts of materials and rare metals. In the case of the fuel cell, the main problem is that of platinum. The amount of platinum used can be reduced, but it can not be less than a minimum amount. Platinum is very expensive and resources are limited. Recycling of materials remains difficult. The batteries used for vehicles can find a second life as stationary batteries, but this is only a temporary palliative.

Finally, a last important criterion concerns the call for energy and power. For a fleet of 25 million battery-powered vehicles, the annual energy consumed represents 100 TWh or 19% of the electrical energy produced in France in 2017. In the case of hydrogen, we would arrive at an amount three times higher, which seems impossible to satisfy. The potential peak power demand could also become problematic. If 1 million drivers want to recharge their 100 kWh batteries in half an hour, the power demand is 200 GW, which is more than the capacity of the EDF network (130 GW). With hydrogen, provided you can store it, you no longer have the same problem.

Overall, the balance of advantages and disadvantages for the two options seems comparable Clearly, the two technologies will coexist and sometimes merge. Everything depends on the use: intensive (taxi, truck, bus), home-work, versatile. The charging infrastructure for both should be developed now without waiting for 2040. However, the obstacles to implementation remain important and should be carefully assessed before undertaking the very large investments required for large-scale deployment.

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Quel sera le mode de propulsion du véhicule de demain? Deux grandes options sont actuellement envisagées. Toutes les deux reposent sur une propulsion électrique, mais l’énergie est stockée soit sous une forme électrochimique dans une batterie (véhicules BEV) ou sous forme d’hydrogène générant de l’électricité dans une pile à combustible - fuel cell (véhicules FCEV). La réunion IDées du 15 avril a permis de faire le point à ce sujet.
Les véhicules à batterie semblent actuellement bénéficier de la faveur de la plupart des grands décideurs. Volkswagen a présenté un argumentaire en faveur de la voiture à batterie, à la fois en termes d’énergie primaire consommée et de CO₂ émis. En fait, le match n’est pas encore joué et il est nécessaire de comparer ces deux types de solutions, point par point. Il est possible tout d’abord de comparer des véhicules commerciaux, par exemple la Toyota Mirai (78 900 €, 5 kg H₂) et la Tesla (112 200 €, 100 kWh). Il faut ensuite prendre en compte le temps de recharge, très rapide dans le cas de l’hydrogène, beaucoup plus long dans le cas de la batterie.

Si la consommation du véhicule électrique est de 200 Wh/km en moyenne, avec 100 kWh d’énergie stockée, l’autonomie est de 500 km. C’est autant que ce que la Toyota Mirai offre avec ses 5 kg d’hydrogène. Par temps chaud, la consommation du système de conditionnement d’air peut faire perdre jusqu’à un tiers de l’autonomie, de façon équivalente pour les deux types de véhicules. Par contre, par temps froid, le véhicule à batterie peut perdre jusqu’à 60% d’autonomie, tandis que le véhicule à hydrogène, dont la pile à combustible rejette de la chaleur, n’est guère affecté. Sur le plan du coût d’achat, il existe des différences notables selon le véhicule, mais il est difficile de prévoir un avantage déterminant sur l’un des deux types de véhicules d’ici 2040. À l’usage, le coût de l’hydrogène reste élevé : 15 € le kg d’hydrogène certifié vert. Compte-tenu d’une consommation d’environ 1 kg pour 100 km, on arrive à un coût de 15 c, c’est-à-dire le prix du kWh électrique, avec lequel un véhicule électrique à batterie parcourt 5 km. Dans le cas du diesel actuel, pour un prix de 1,5 €/litre, on arrive à un coût de 9 c par km. Sur ce plan, l’hydrogène parait clairement défavorisé. En termes d’infrastructures, le véhicule à batterie est nettement mieux positionné, avec 25 000 stations en France contre à peine une vingtaine dans le cas de l’hydrogène. En Chine, l’écart est encore plus flagrant avec 200 000 stations de recharge électrique mais seulement 6 stations hydrogène. En outre, il est possible de recharger une voiture électrique à domicile, bien que cela pose des problèmes en logement collectif. Le nombre de stations hydrogène va augmenter. La France vise 400 à 1 000 stations d’ici 2028 et la Chine 3 000 d’ici 2030. Néanmoins, le véhicule à batterie reste nettement mieux placé. Il faut aussi considérer le bilan environnemental. Actuellement, le bilan carbone d’une batterie est de 175 kg de CO₂ émis par kWh stocké, soit plus de 17 t pour une batterie de 100 kWh, c’est-à-dire plus qu’une voiture hybride ou diesel n’en produit sur 150 000 km. Le bilan peut être amélioré en construisant les batteries dans les pays où l’électricité a un faible contenu carbone, mais le principal fournisseur actuel reste la Chine. Sur ce point, l’avantage revient au véhicule à hydrogène, dont le réservoir et la pile à combustible ne représentent qu’environ 3 tonnes de CO₂ émis à la fabrication. Le bilan carbone en fonctionnement, dépend fortement de la façon dont on produit l’électricité. Dans le cas d’un véhicule à batterie, on arrive à 20 g de CO₂ par km en France, mais 100 g aux États-Unis et 140 g en Chine. Ceci est à comparer à un niveau de 100 g de CO₂ émis dans d’un hydrogène produit à partir de gaz naturel, niveau voisin de celui que l’on obtient dans le cas d’un véhicule Diesel récent. En utilisant de l’électricité à bas carbone, ce niveau peut être fortement abaissé. Une batterie nécessite d’importantes quantités de matériaux et de métaux rares. Dans le cas de la pile à combustible, le principal problème est celui du platine. On peut réduire la quantité de platine utilisée, mais on ne peut descendre au-dessous d’une quantité minimale. Or, le platine est très coûteux et les ressources sont limitées. Le recyclage des matériaux reste difficile. Les batteries utilisées pour les véhicules peuvent trouver une seconde vie comme batteries stationnaires, mais ce n’est qu’un palliatif temporaire. Enfin un dernier critère important concerne l’appel en énergie et en puissance. Pour un parc de 25 millions de véhicules à batterie, l’énergie annuelle consommée représente 100 TWh soit 19% de l’énergie électrique produite en France en 2017. Dans le cas de l’hydrogène, on arriverait à un montant trois fois supérieur, qui parait impossible à satisfaire. L’appel en puissance pourrait aussi devenir problématique. Si 1 million de conducteurs veulent recharger en une demi-heure leurs batteries de 100 kWh, la puissance appelée est de 200 GW, soit davantage que la capacité du réseau EDF (130 GW). Avec l’hydrogène, à condition de pouvoir le stocker, on n’est plus confronté au même problème.

Au total, le bilan des avantages et inconvénients pour les deux filières semble comparable Clairement, les deux technologies vont cohabiter et parfois fusionner. Tout dépend de l’usage : intensif (taxi, camion, bus), domicile-travail, polyvalent. Il faudrait développer l’infrastructure de recharge pour les deux dès maintenant sans attendre 2040. Les obstacles à la mise en oeuvre restent néanmoins importants et devraient être soigneusement évalués, avant d'engager les investissements très importants qu'exige un déploiement à grande échelle.