L’hydrogène vert pourrait alimenter l’avenir du transport de passagers et de marchandises

L’hydrogène vert apparaît comme une solution potentielle importante pour décarboner les transports, mais de nouvelles découvertes en matière d’efficacité énergétique indiquent qu’il devrait être utilisé de manière stratégique dans les transports routiers, ferroviaires, aériens et maritimes lourds, selon une étude de l’Université du Michigan.

L’hydrogène vert est produit par électrolyse à partir d’énergies renouvelables pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Il peut être utilisé directement ou dans des carburants synthétiques, également appelés e-carburants, pour décarboner les transports routiers, ferroviaires, maritimes et aériens. Le secteur des transports est responsable d’environ 22 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone et de 37 % des émissions américaines de combustibles fossiles.

Pour atténuer le changement climatique, il est essentiel de décarboner les transports, tant ceux des passagers que ceux des marchandises, selon les chercheurs, qui ont calculé l’efficacité énergétique totale du système en utilisant l’hydrogène vert directement ou indirectement dans les carburants électroniques pour alimenter les avions, les trains, les automobiles et les navires. L’efficacité énergétique du système mesure l’énergie utilisée pour entraîner les roues des véhicules terrestres et la poussée des avions et des navires par rapport à l’énergie électrique renouvelable totale investie.

Les chercheurs de l’UM ont étudié à la fois l’utilisation directe de l’hydrogène dans les moteurs ou les piles à combustible ainsi que l’utilisation indirecte de l’hydrogène sous forme de carburants électroniques tels que l’essence électronique, le diesel électronique, le kérosène électronique, le méthanol électronique et l’ammoniac électronique. En comparant ces utilisations avec les options électriques à batterie, ils ont constaté que les inefficacités du système lors de la production, du stockage, du transport, de la distribution et de l’utilisation de l’hydrogène ou du carburant électronique entraînent une perte d’énergie d’environ 80 à 90 % de l’apport électrique initial.

En revanche, le transport électrique est environ trois à huit fois plus efficace que l’hydrogène utilisé directement ou dans les e-carburants. Leurs résultats seront publiés en ligne le 7 août et sur papier le 21 août dans la revue Joule.

« Il est urgent de décarboner les transports, compte tenu des effets néfastes du changement climatique, qui ne vont faire que s’intensifier », a déclaré Greg Keoleian, auteur principal de l’étude et codirecteur de l’initiative MI Hydrogen de l’UM. « Nous examinons les domaines dans lesquels l’hydrogène peut jouer un rôle en analysant les aspects énergétiques pour guider le déploiement ainsi que d’autres facteurs tels que le coût, le temps de ravitaillement, l’autonomie et la sécurité. »

L’étude a été menée dans le cadre de l’initiative MI Hydrogen de l’UM, qui vise à favoriser la collaboration entre les chercheurs de l’UM, les groupes communautaires, le gouvernement et les partenaires de l’industrie pour créer des solutions d’hydrogène qui accélèrent les transitions vers une énergie propre. L’équipe de recherche comprenait des scientifiques du Center for Sustainable Systems, du département d’ingénierie aérospatiale et du département d’architecture navale et de génie maritime de Michigan Engineering.

« Nous avons constaté que les sources d’électricité renouvelables aux États-Unis ne suffisent pas à soutenir la production d’hydrogène pour les véhicules légers. L’hydrogène vert devrait être utilisé de manière stratégique dans les transports routiers, ferroviaires, aériens et maritimes lourds, où les alternatives électriques sont limitées par la charge et l’autonomie », a déclaré Tim Wallington, premier auteur du rapport et spécialiste de recherche au Center for Sustainable Systems de l’UM School for Environment and Sustainability.

Cependant, selon Wallington, les batteries ne conviennent pas aux véhicules de transport lourds qui doivent parcourir de longues distances. Les batteries sont trop lourdes et trop grandes pour alimenter un vol de plus de 320 kilomètres, pour faire traverser un cargo à travers un océan ou pour alimenter un train à travers un continent.

Selon les chercheurs, l’hydrogène ou les e-carburants sont des sources d’énergie plus judicieuses pour ces applications de transport lourd. L’utilisation de l’hydrogène comme source directe de carburant nécessiterait des changements massifs dans le ravitaillement et les infrastructures. L’utilisation de e-carburants à base d’hydrogène permettrait d’éviter ces changements, mais dans la plupart des cas, ils sont environ 20 à 50 % moins efficaces sur le plan énergétique que les utilisations directes d’hydrogène vert.

Pour caractériser l’efficacité du système et visualiser les apports et pertes d’énergie pour chaque voie d’hydrogène, l’équipe de recherche a développé un ensemble de 25 diagrammes de Sankey. Ces diagrammes commencent par les apports d’électricité renouvelable et suivent les flux d’énergie tout au long de la production et de la livraison d’hydrogène jusqu’à son utilisation finale dans une pile à combustible, un moteur à combustion interne ou un turboréacteur dans le cas d’un avion. Ces voies d’hydrogène ont été comparées à un autre ensemble de 6 diagrammes pour toutes les options électriques.

Les chercheurs ont également mesuré l’intensité énergétique de chaque voie de l’hydrogène, c’est-à-dire la quantité d’énergie renouvelable nécessaire pour déplacer du fret en tonnes-milles ou des personnes en passagers-milles pour tous les principaux modes de transport.

« Nous avons constaté que les tendances observées ici suivent celles de l’intensité énergétique des transports à base de pétrole : avec l’hydrogène, le rail et le transport maritime sont les plus efficaces, et l’avion est le moins efficace car il faut maintenir ce poids dans le ciel », a déclaré Keoleian, également professeur de systèmes durables. « Du point de vue du transport durable, il faut utiliser les modes de transport les plus efficaces et les moins énergivores. L’électricité renouvelable est une ressource rare, nous devons donc l’utiliser à bon escient. »

Les co-auteurs de l’étude comprennent l’étudiant au doctorat Maxwell Woody et le spécialiste de recherche Geoffrey Lewis du Center for Sustainable Systems, l’étudiant au doctorat Eytan Adler et le professeur Joaquim Martins du département d’ingénierie aérospatiale de l’UM, et Matthew Collette, professeur d’architecture navale et d’ingénierie marine.