Train à hydrogène : Est-il vraiment propre et économe en énergie ?

L’hydrogène serait-il une énergie motrice d’avenir pour le transport ferroviaire  ?

Dans le contexte du réchauffement global de la terre et du développement des énergies renouvelables intermittentes, notamment électriques, le vecteur hydrogène énergie peut être envisagé à la fois comme une ressource alternative à la batterie classique pour stocker de l'énergie et produire de l'électricité. Mais aussi comme instrument de régulation entre énergies au service de la transition énergétique où devrait cohabiter durablement des productions centralisées d'énergie et des productions locales intermittentes décarbonées.

La montée en puissance des énergies intermittentes dans les mix électriques français et européen, la variabilité des prix de l’électricité et la flexibilité offerte par le recours à l'hydrogène donneront très probablement une place économiquement viable à la production d’hydrogène par électrolyse. Outre l’augmentation prévisible et souhaitable du prix de la tonne de CO2, le renforcement de la lutte contre le bruit et la pollution de l’air en zone urbaine peut constituer un atout pour la mobilité hydrogène, qui permet en outre une autonomie accrue et une recharge rapide.

Pour une information plus compète, voir le document « filière énergie » du ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie : https ://www.actu-environnement.com/media/pdf/news-26748-rapport-cgedd-cgeiet-hydrogene.pdf

La France accueillera bien prochainement ses premiers trains à hydrogène

Alstom a en effet annoncé ce 8 avril avoir reçu la commande de 12 trains bi-mode électrique hydrogène en France de la part de SNCF Voyageurs. Ils circuleront sur les réseaux de quatre régions : Auvergne-Rhône-Alpes, Bourgogne-Franche-Comté, Grand Est et Occitanie. Il s’agit d’une première pour l’Hexagone, et une « étape historique dans la baisse des émissions de CO2 du transport ferroviaire », se réjouit Alstom dans un communiqué.

Contrairement aux trains hydrogène actuellement en circulation en Allemagne, qui sont des modèles Coradia iLint 100% hydrogène, la France a fait le choix d’une solution mixte. Les trains commandés sont des Coradia Polyvalent électrique-hydrogène (également nommé Régiolis hydrogène). En plus des batteries et des piles à hydrogène, ils seront munis d’un pantographe pour être alimentés par les caténaires lorsqu’ils rencontreront des lignes électrifiées.

Les Coradia Polyvalent bi-mode (72 mètres, 4 voitures et 218 places assises) disposeront d’une autonomie pouvant aller jusqu’à 600 km sur les portions de lignes non électrifiées.

Yannick Legay, directeur technico-commercial chez Alstom France, précisait que ce choix était cohérent avec les spécificités du réseau français : « En France, il vaut mieux utiliser l’électricité, qui est décarbonée, quand elle est là », ajoute M. Legay. « En Allemagne, des trains monomodes qui circulent grâce à l’hydrogène sur des lignes électrifiées choquent moins dans la mesure où le mix électrique est très carboné. » avait-il, notamment pointé.

Ces trains emporteront moins d’hydrogène que leurs homologues allemands : 160 kg à 180 kg en France, contre 260 kg en Allemagne. Par rapport aux Coradia iLint, les Régiolis hydrogène seront également plus longs - 76 mètres contre 54 mètres, plus rapides, 160 km/h contre 140 km/h et donc munis de piles à hydrogène plus puissantes, 300 kW contre 200 kW. Enfin, les batteries lithium-ion, qui fournissent un apport de puissance lors des accélérations et récupèrent l’énergie au freinage, stockeront plus d’énergie sur les trains français que sur les Coradia iLint : 143 kWh contre 111 kWh.

Comment fonctionne un train à l’hydrogène ?

L'hydrogène stocké dans les réservoirs est mélangé à l'oxygène présent dans l'air ambiant dans la pile à combustible située en toiture du train pour obtenir de l'électricité. Par ce mélange, la pile produit l'électricité nécessaire à la traction de la rame.

Pour schématiser, de la vapeur d'eau est chauffée à très haute température et mélangée avec du méthane, ce qui crée une fracturation hydraulique. « Sous l'action de la vapeur d'eau et de la chaleur, les atomes qui constituent le méthane (CH₄) se séparent et se réarrangent en hydrogène (H₂) d'une part et dioxyde de carbone (CO₂) d'autre part », https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/chimie-produit-on-hydrogene-6280/

L’hydrogène : pas si propre que cela !

l’innovation du train à hydrogène serait vraiment une bonne nouvelle pour la planète, s’il n’y avait pas un problème majeur : l’hydrogène n’est quasiment pas présent dans la nature, contrairement au pétrole ou au gaz. Pour l’utiliser, il faut donc le fabriquer.

Certes, lorsqu’il circule, si le train qui fonctionne à l'hydrogène est plus propre que celui au diesel, il n'est pas exactement « zéro émission », puisqu'il rejette de la vapeur d'eau, créée par la transformation de l'hydrogène en électricité. Seulement de la vapeur d'eau. Et donc, aucune émission de gaz à effet de serre (CO₂). rien à voir, donc, avec les trains circulant au diesel. Toutefois , pour produire de l’hydrogène, la technique de mélange au méthane pose un problème : elle produit du CO₂. Et un autre plus grave : elle provoque des émanations de méthane dans l'atmosphère, un gaz encore plus polluant que le CO₂.

Un hydrogène « vert » est-il possible ?

Alstom est bien conscient du problème et expliquait que son entreprise allait prochainement utiliser un hydrogène vert « grâce à l'électrolyse de l'eau ». Cette méthode, reproduite chaque année dans les salles de chimie des collèges de France et de Navarre, consiste à décomposer l'eau à l'aide d'un courant électrique. Un hydrogène vert, vraiment ? Pas tellement : car la production par électrolyse nécessite une puissance électrique très importante. Ce qui la rend très coûteuse. Et dépendante du nucléaire, une énergie neutre en terme d'émission de CO_2, mais pas du tout en terme environnemental.

Avec cette technique, l'une des solutions pour arriver à un hydrogène plus propre serait d'utiliser de l'électricité verte. une méthode alternative qui s'appuierait sur l'électrolyse de l'hydrogène, en exploitant des courants d'eau pour produire de l'énergie électrique qui serait ensuite utilisée pour la production d'hydrogène et d'oxygène, mais ce processus nécessite beaucoup d'énergie. Dont, en outre, 20% est gaspillée.

Alors, faut-il jeter le H avec l'H2O du bain ? Pas encore, puisque des recherches sont en cours pour dénicher un hydrogène plus propre, par exemple : celui qui serait fabriqué à partir de la fermentation. En décomposant des matières organiques (la biomasse), des bactéries produisent en effet de l'hydrogène. Les gaz de fermentations sont récupérables et filtrables pour concentrer le méthane qui servirait à produire l'hydrogène. Couplé à un mode de capture du CO₂, les émissions seraient nulles »,

Quel pourrait être l’avenir de cette solution par biomasse ?

A voir toutefois quel serait l’avenir de cette solution par biomasse ? Pour l’instant, celui de la propulsion à hydrogène, lui, passerait plutôt par une amélioration de la méthode par électrolyse : c’est notamment sur ces questions que se penchent les grands groupes.

Effectivement, plutôt que la biomasse pour produire du méthane, avec les problèmes que cela peut soulever, et sans abandonner les recherches dans ce secteur, la propulsion à hydrogène devrait plutôt passer par une amélioration de la méthode par électrolyse. La résolution des problèmes liés à l’hydrogène pourrait en effet passer par une industrialisation de cette formule. En clair, si toutes les voitures roulaient à l’hydrogène, il faudrait bien faire efficace, économe et pas cher. En ce moment, on semble toutefois s’y orienter : en janvier dernier, en marge du forum de Davos, un « conseil de l’hydrogène » a été créé. Il regroupe des constructeurs (Honda, Hyundai, Toyota, BMW, Daimler, Kawasaki, Alstom), un groupe minier (AngloAmerican) et des producteurs de carburant (Shell, Total, Air Liquide, Linde, Engie)

La production d’hydrogène, fut-elle « plus verte », nécessitera toujours de l’énergie pour la produire, car Il faut avant tout commencer par dépenser de l'énergie pour produire de l'hydrogène… Sans compter également la fabrication des piles.

A propos des piles à combustibles

Comme le souligne Jean-marc Jancovici, d’abord, la pile à combustible est une découverte vieille de plus d’un siècle (fin du IX e sicle) : si cela était une solution miracle, il y a longtemps que nous le saurions ! Si le moteur à explosion a été industrialisé d’abord, c’est bien parce que la pile à combustible pose quelques problèmes qui ne sont pas si simples que cela à résoudre.

Il rappelle également : « dans une pile à combustible on évite la combustion dans l’air à haute température, pour la remplacer par une réaction chimique en milieu liquide ou solide, comportant le plus souvent une catalyse (c’est-à-dire, l’emploi d’un catalyseur). Schématiquement une pile à combustible fait l’inverse d’un électrolyseur : dans une électrolyse on fait passer du courant dans une solution pour séparer des composés qui y sont dissous, alors que dans une pile on met des composés dans une solution, ou dans un électrolyte solide, et leur réaction chimique engendre du courant. De ce fait les polluants locaux, qui nécessitent une haute température dans l’air pour se produire (oxydes d’azote, la plupart des composés aromatiques, etc), ne sont plus émis par une pile à combustible ».

Par ailleurs, une pile à combustible produit de l’électricité, donc un véhicule (train, automobile) à pile à combustible est un avantage avec le moteur électrique qui dispose d’un rendement bien supérieur à celui d’un moteur thermique. Avec 1 kWh de carburant on finira par avoir 0,2 à 0,4 kWh d’énergie mécanique à la sortie du moteur (le reste est de la chaleur perdue pour faire avancer le véhicule), alors qu’avec 1 kWh d’électricité c’est plutôt 0,5 à 0,6 kWh d’énergie mécanique que l’on obtiendra à la sortie du moteur.

Si les piles ne se sont pas développées avec ces avantages, c’est qu’elles ont par ailleurs un gros inconvénient : elles fonctionnent toutes avec de l’hydrogène, ( composé, dont il faut rappeler, qu’il n’existe pas à l’état natif à la surface de la terre). En d’autres termes, l’hydrogène n’existe nulle part sur notre planète sous une forme directement exploitable, comme cela est le cas pour les combustibles « fossiles ».

Pour conclure

Si l’hydrogène est une énergie motrice satisfaisante, en regard des contraintes environnementale et climatique, pour faire rouler des trains sur des lignes ferroviaires non électrifiées, elle n’est pas pour autant dispensées de certains problèmes, et pas des moindres. Tant pour la production de l’hydrogène, que la fabrication des piles, il y a un coût énergétique et des rejets atmosphériques, qu’il convient d’intégrer sans complaisance…