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Hydrogène liquide : une solution pour la mobilité très lourde ?

Si l’hydrogène gazeux est couramment utilisé pour la mobilité terrestre, le stockage sous forme liquide semble constituer une alternative pour certains usages, en particulier pour l’aviation et le transport maritime.

L’annonce a fait sensation le 10 septembre quand ENGIE et ArianeGroup ont dévoilé leur partenariat dans l’hydrogène liquéfié renouvelable. Les deux industriels souhaitent pouvoir répondre ainsi aux contraintes particulières de stockage et d’autonomie de secteurs du transport tels que le routier, le maritime, le ferroviaire et l’aéronautique. « Les fusées Ariane ont permis à ArianeGroup de faire partie des rares sociétés au monde maîtrisant les systèmes et solutions fondés sur l’hydrogène liquéfié », rappelle le Directeur général du groupe, André-Hubert Roussel.  La coentreprise entre Airbus et Safran maîtrise ce type de technologie et les infrastructures associées depuis plus de 40 ans. De plus, elle emploie plus d’un millier de personnes en France et en Allemagne travaillant quotidiennement sur les technologies liées à l’hydrogène. Pour sa part, ENGIE a lancé des projets ambitieux dans le domaine de l’hydrogène renouvelable et dispose de 60 ans d’expérience dans le domaine des gaz liquides et en particulier dans le GNL. L'accord va se traduire dans un premier temps par le développement d’une technologie de rupture de liquéfaction d’hydrogène. Pour atteindre cet objectif, un banc d’essais et de qualification sera construit à Vernon (Eure), sur le site de recherche et d’essais d’ArianeGroup. Dans un deuxième temps, les deux entreprises souhaitent proposer des produits et services en lien avec l'hydrogène liquide, pour tous les usages de la mobilité lourde. Mais, les défis sont immenses.

Repenser la liquéfaction

« L’objectif est de diviser par deux les coûts de liquéfaction car les technologies de liquéfaction actuelles ne sont pas optimisées », estime Soizic le Goff, vice-Présidente de l’activité Hydrogène Rail & Ports chez ENGIE. « Elles ont été développées pour l’aérospatial il y a quelques décennies. Il s’agit aujourd’hui d’activer de nouveaux marchés (mobilité lourde) qui requièrent des technologies de rupture », souligne-t-elle. Ce que confirme Frédéric Legrand, responsable du laboratoire de liquéfaction des nouveaux gaz au Crigen, à Stains (Seine-Saint-Denis). « Nous avons chez ENGIE une expertise de la liquéfaction des gaz, notamment avec le GNL (gaz naturel liquéfié). Cela fait plus de 60 ans qu’on travaille dans ce domaine », rappelle-t-il en préambule. Et de poursuivre : « à moins 253 degrés, il est très compliqué de liquéfier de l’hydrogène sans consommer trop d’énergie. De plus, il faut des réservoirs qui maintiennent en froid avec des matériaux qui limitent les entrées de chaleur et l’évaporation. A titre de comparaison, le GNL utilisé dans le transport est stocké à moins 163 degrés. Ce sont les derniers degrés les plus froids qui sont plus compliqués à atteindre, car cela demande plus d’énergie », précise-t-il.

Une solution prévue en 2030

« Il faut en fait réinventer le procédé en pensant autrement » (« out of the box »), enchaîne Frédéric Legrand. « Nous allons nous appuyer sur les équipements d’ArianeGroup et leur site qui abrite le plus gros centre d‘essais d’hydrogène liquide en Europe ». L’agenda prévisionnel est déjà calé. « Nous prévoyons une phase de R&D sur 5 ans, avec la conception d’un cycle et une preuve de concept », détaille le chercheur. Ensuite, il y aura un premier démonstrateur dans un port. Une solution commercialisable sera disponible en 2030 », conclut-il.

Un intérêt pour livrer en amont l’hydrogène

« Il n’y a que quelques acteurs au monde dans le domaine de l’hydrogène liquide », complète Pierre-Etienne Franc, Vice-Président chez Air Liquide en charge de l’activité hydrogène dans le monde. Et ils sont français, allemands et américains. Les installations se trouvent surtout aux USA avec une capacité de production de 250 tonnes par jour (sur les 300 dans le monde). Pour cet expert, c’est une technologie idéale pour approvisionner les sites de distribution. « Initialement utilisé comme carburant des fusées et des navettes spatiales, l’hydrogène liquide permet de transporter 10 fois plus d’énergie. C’est la raison pour laquelle il est devenu la norme dans un pays comme les Etats-Unis pour la supply chain, en raison des grandes distances. Cela permet de densifier l’approvisionnement avec des coûts moins élevés au final par rapport à une production sur place avec un électrolyseur », estime M. Franc. « Et si on consomme des Kwh en plus en termes d’énergie pour produire cet hydrogène liquéfié, ceux-ci sont compensés par la réduction du nombre de camions en circulation pour le livrer, ainsi que les coûts d’investissements des stations », argumente-t-il. Air Liquide a d’ailleurs investi plus de 150 millions de dollars pour la réalisation d’une usine d’hydrogène liquide à l’ouest des États-Unis, avec une capacité de production de près de 30 tonnes d’hydrogène par jour, de façon à pouvoir alimenter les 40 000 véhicules à pile à combustible attendus en Californie ces prochaines années.

De l’hydrogène liquide dans les camions ?

Contrairement aux autres acteurs, et en particulier Nikola Motor qui privilégie l’hydrogène gazeux, avec un réseau de stations dotées d’un électrolyseur, Daimler envisage de recourir à un stockage liquide. C’est la solution retenue pour le GenH2 Truck, un camion à pile à combustible que le groupe compte faire rouler en test dès 2023. Le poids-lourd aurait une autonomie de plus de 1 000 kilomètres. Un choix justifié par « la densité énergétique plus élevée ». Ainsi, les performances du véhicule devraient égaler celles d’un camion diesel conventionnel comparable, justifie Daimler. Ce camion de 40 tonnes embarquerait deux réservoirs stockant en tout 80 kg d'hydrogène à une température de moins 253 degrés. « Les acteurs doivent s’accorder », tempère Pierre-Etienne Franc d’Air Liquide, qui estime que « c’est déjà difficile de mettre en place une infrastructure avec des stations proposant de l’hydrogène gazeux ». De plus, il faut savoir que l’hydrogène liquide va se vaporiser et s’évaporer quand on ne le consomme pas. Ce qui peut poser des problèmes quand des véhicules restent sur un parking le week-end. C’était le cas par exemple pour la BMW Série 7 Hydrogen développée au début des années 2000. Depuis, le constructeur automobile allemand a opté pour une autre technologie. Ce mode de stockage est donc pertinent pour des véhicules dont l’usage est très intensif.

Une alternative possible dans le train

Alors que le choix de l’hydrogène liquide peut poser débat dans le camion, c’est une alternative possible dans le train. Les Coradia iLint qui circulent en Allemagne utilisent de l’hydrogène gazeux, stocké à 350 bars pour une autonomie de 1000 km. La future station à hydrogène de Bremervörde (basse-Saxe), prévue pour 2022, aura une capacité journalière de 1 600 kg pour alimenter 14 trains. C’est aussi l’hydrogène sous forme gazeuse qui est privilégié pour les trains bi-mode qu’Alstom livrera aux régions en France pour rouler sur les lignes TER non électrifiées. « Aujourd’hui, l’hydrogène gazeux sous pression est la solution retenue pour les trains régionaux de passagers. Si à l’avenir le besoin de stockage des nouvelles applications ferroviaires devient plus important, l’hydrogène liquide renouvelable pourra être une solution » avance Soizic Le Goff chez ENGIE. Un rapport publié en 2019 et préparé par Roland Berger, pour le compte de Shift2Rail et du FCH-JU (« Study on the use of fuel cells and hydrogen in the railway environment »), faisait d’ailleurs référence à ce mode de stockage. Il soulignait qu’il était ainsi possible d’optimiser l’intégration des réservoirs et la vitesse de remplissage, tout en pointant par ailleurs le besoin d’équipements complémentaires pour transformer en gaz cet hydrogène de façon à alimenter la pile à combustible.

Un passage obligé pour le transport maritime ?

La question se pose aussi pour les gros bateaux. Ainsi, Norled prévoit de mettre en service un ferry à hydrogène liquide en 2021. Ce sera d’ailleurs une première mondiale. Conçu par LMG Marin, à la suite d’un appel d’offres lancé par la Norvège (et financé par le projet européen Flagships), le navire sera exploité entre Hjelmeland, Skipavik et Nesvik dans le Rogaland. Ce ferry de 82,4 mètres de long pourra accueillir 299 passagers et 80 voitures. Il pourra atteindre la vitesse de 9 nœuds avec des piles à combustible de 2 x 200 kW et des groupes électrogènes de 2 x 440 kW. Pour stocker l'hydrogène, une citerne de 80 m3 a été prévue. Norled est aussi impliqué dans un autre projet local (PILOT-E) qui consiste à préparer un écosystème autour de l’hydrogène liquide à partir de 2024. Au lieu d’être importé, il serait produit sur place par électrolyse. Et cet hydrogène pourrait ensuite être distribué dans les ports à des véhicules lourds comme les bus et les camions. Ce projet implique Air Liquide, aux côtés de BKK, Equinor, NCE Maritime Cleantech, NORCE, NorSea Group, Viking Cruises et Wilhelmsen. A noter que Norled prévoit de se doter aussi d’un ferry à l’hydrogène avec un stockage gazeux pour un usage différent. L’hydrogène liquide peut aussi trouver sa place à bord des bateaux en tant que marchandise transportée. Rappelons que le Japon a décidé de se doter d’un hydrogénier pour importer une production venue d’Australie. Long de 116 mètres, et conçu par Kawasaki, en partenariat avec Iwatani, Shell Japan et J-Power, le Suiso Frontier sera équipé d’un réservoir de stockage à double coque capable d’embarquer jusqu’à 1250 mètres cube d’hydrogène à l’état liquide.

Une solution adaptée au transport aérien

« Plus les véhicules ont besoin de puissance et plus la solution de l’hydrogène liquide s’impose. Ce sera le cas par exemple pour les avions de ligne, où on ne peut pas envisager de gaz comprimé ou à atmosphère ambiante », plaide Frédéric Legrand d’ENGIE. « Il n’y a pas d’autre solution si on veut embarquer de l'hydrogène à bord », tranche Pierre-Etienne Franc d’Air Liquide. On comprend mieux pourquoi le mode liquéfié a été retenu par Airbus, qui développe un avion à hydrogène à l’horizon 2035. Le président exécutif du groupe, Guillaume Faury, estime d’ailleurs que cela « ne nécessite pas de rupture technologique majeure ». Récemment, le patron d’Airbus a dévoilé trois concepts d’avions décarbonés répondant aux ambitions affichées dans le cadre du plan de relance pour l’aéronautique. Le premier concept est un avion de configuration classique pouvant aller jusqu'à 200 places avec un rayon d'action permettant de faire plus de 3 500 kilomètres. Le réservoir cylindrique d'hydrogène liquide serait logé à l'intérieur du fuselage dans la partie arrière de l'appareil. Le second sera un avion à hélice, pouvant embarquer environ 100 passagers, pour des trajets plus courts. Le troisième est plus « disruptif » selon Guillaume Faury. Il s'agit d'une aile volante d'environ 200 places qui permet d'étudier une configuration complètement différente pour le stockage de l'hydrogène et la propulsion. Pour Patrick Gandil, le directeur de la Direction générale de l'aviation civile (DGAC), « les défis à relever se situent notamment au niveau du stockage, car pour des raisons de volume de réservoirs, il est nécessaire d’utiliser de l’hydrogène liquide ». C’est aussi l’opinion de Val Miftakhov. Pour le PDG de la start-up américaine ZeroAvia, qui a réalisé le premier vol d’un avion commercial H2 (voir les actus international), « la meilleure solution repose sur l’utilisation de l’hydrogène liquide qui peut se transformer en électricité et ainsi alimenter des appareils de transport ». Pour surmonter les obstacles techniques, un travail collaboratif sera nécessaire entre les entreprises expertes de l’hydrogène liquide.