Dernière modification 14/12/2021

Comparatif de rendement entre hydrogène et batterie au lithium


Quel est la différence de rendement entre une voiture électrique à batterie au lithium-ion et une autre auto électrique employant la pile à combustible qui utilise de l'hydrogène. Pour le savoir, nous allons comparer une voiture à hydrogène à une voiture à batterie au lithium-ion (la norme aujourd'hui).

Les deux technologies démarrant par une énergie électrique émise par une centrale électrique, nous allons donc partir d'un postulat où avons à dépenser 100 kWh. J'ai donc 100 kWh qu'on me donne, et avec lesquels je dois faire fonctionner une voiture à hydrogène et à accumulateur au lithium.

Rendement d'une auto fonctionnant au lithium


Nous avons donc ici 100 kWh au départ de ma centrale (pétrole, charbon, barrages, éolien etc.), je perds 10% de l'énergie sur le réseau sachant que techniquement seulement 8% est lié à la perte technique (longueur des câbles, effet joule et transformateurs qui consomment), le reste étant lié à des fraudes ou soucis techniques sur le réseau.

Nos 100 kWh perdent donc ici 10kWh (10%), nous tombons alors à 90 kWh.

Vient ensuite le moment de recharger l'auto, avec une perte évaluée à 12% selon l'Ademe. Une partie du courant est perdue notamment par effet joule et par le redresseur. Une batterie qui charge chauffe, et cette chaleur est directement issue des 90 kWh qu'on a reçus.
Nos 90 kWh vont donc remplir ma batterie à hauteur de 79.2 kWh. On remarque au passage que le rendement, avant même l'utilisation du véhicule, est de 80% environ.

Ce n'est qu'à partir de ce moment là que je peux utiliser mon véhicule électrique, à savoir transférer l'énergie de ma batterie (courant continu) vers les moteurs électriques (courant alternatifs). Les pertes sont estimées à au moins 15%, entre les convertisseurs/onduleurs, perte chimique dans la batterie (transformation perte, notamment par effet Joule et modification de la chimie interne : Ions qui vont de l'anode vers la cathode) et enfin le rendement du moteur lié à la perte dans les stator et rotor selon la technologie (les moteurs à réluctance variable étant les moins voraces à haute fréquence, à savoir à plus haute vitesse. Tesla utilise cette technologie depuis l'apparition de la Model 3 bien que cela n'amène pas non plus de miracle sur autoroute).


Au final, je n'ai utilisé pour la propulsion qu'environ 67.3 kWh par rapport aux 100 kWh au départ de la centrale.

Le rendement est donc sur la chaîne de 67.3%, soit en gros de 65 à 75% selon tous les paramètres et variables qui peuvent légèrement fluctuer dans la réalité (température, qualité des batteries, rendement des onduleurs, transformateurs ...).

Rendement d'une voiture à hydrogène


L'hydrogène induit forcément un circuit plus long et contraignant que le "tout électrique". Voyons voir cela ...

On commence donc par nos 100 kWh en sortie de centrale.
Il faut donc aller jusqu'à la raffinerie qui produit de l'hydrogène, avec donc une perte de 10% (sauf si la production est au même endroit, dans ce cas on est à moins de 1%).

Hydrogène issue de l'électrolyse (5% dans le monde ...)

Dans le cas où je passe par l'électrolyse, j'aurai un rendement de 60 à 75%, prenons alors 67% pour se situer entre les deux (l'Ademe choisit plutôt 60%).
Mes 90 kWh électriques vont alors devenir 60.3 kWh sous forme d'hydrogène gazeux. Il me faut alors 10 litres d'eau pour 1kg d'hydrogène.


Il faut ensuite comprimer un minimum le gaz qu'on vient d'extraire pour le vouer à une utilisation routière, à savoir entre 350 et 700 bars. Cela prendra en moyenne 8% de l'énergie qui constitue ma masse d'hydrogène à compresser. Ici j'ai 60.3 kWh d'hydrogène, soit à peu près 2 kg. Il me faut donc 4.8 kWh pour arriver à cela, j'ai donc maintenant 55.5 kWh (en réalité j'ai toujours mes 60.3 kWh en hydrogène de base que j'ai simplement comprimé, mais je retire ici l'énergie qui a été nécessaire à sa compression pour étudier le rendement sur l'ensemble de la chaîne. Je les retranche donc à mes 100 kWh de départ, qui doivent me servir à tout le processus).


J'en arrive donc à faire le plein de la voiture à pile à combustible, à savoir y incorporer 55.5% de mon énergie de départ avant même de faire rouler l'auto.

En fonctionnement, le moteur électrique utilisant la pile à combustible à l'hydrogène a un rendement très moyen de 48% environ ... C'est à peine mieux que le moteur diesel. Sur mes 55.5 kWh je vais donc utiliser seulement 26.6 kWh en destination des moteurs. A cela s'ajoute une perte supplémentaire liée à la batterie tampon (entre pile à combustible et moteur), l'onduleur et le moteur lui-même au niveau des rotor / stator (effet joule entre autres), environ 10%, il me reste alors 24 kWh pour la propulsion pure (à savoir l'énergie totale transformée en énergie cinétique.

Le rendement de la chaîne est donc ici de 24%. Bien entendu, il ne faut pas prendre ce chiffre au pied de la lettre, ce serait faire preuve de naïveté car les écarts sont liés à tout un tas de paramètres (rendement de la centrale, de l'auto etc.). Grosso modo cela va de 20 à 30% de rendement, et les 30% sont évoqués pour les méthodes les plus modernes et optimales.


Hydrogène issue du vaporeformage (95% dans le monde ...)

Cette manière de faire rend moins pur l'hydrogène produit mais cela ne gène pas l'utilisation pour l'automobile (sert avant tout pour les laboratoires et rares autres domaines nécessitant un hydrogène purifié au maximum, un peu comme l'eau déminéralisée). On utilise ici en majorité du méthane qui réagit à la présence de vapeur d'eau (chauffée donc).
On sera plutôt à 75% de rendement, ce qui est aussi atteignable par l'électrolyse au passage ... C'est donc assez similaire même si son utilisation bien plus massive est liée à des coûts bien plus modestes (le rendement seul ne suffit pas à choisir une technologie).

D'autres méthodes ?

La chimie et la physique (c'est la même chose en réalité) permettent de jouer avec la matière de mille manières différentes ... On peut par exemple obtenir de l'hydrogène à partir de charbon ou de la biomasse par exemple.

Bilan

Si il est aisé de constater que l'hydrogène est dépassé en terme de rendement, il ne faut pas omettre certains "détails". La réalité étant plus vaste et subtile, ces résultats ne tiennent pas compte de paramètres fondamentaux qui embrassent encore plus largement les chaînes de fonctionnement de ces deux technologies. On se limite ici à l'énergie qui va de la centrale électrique jusqu'à mes roues qui tournent.
On ne tient pas compte des autres énergies et polluants rejetés pour la fabrication des batteries (celles à combustibles sont aussi très polluantes), le recylage, durée de vie du "matériel", le circuit d'approvisionnement etc. A retrouver dans l'article qui traite de la viabilité de l'hydrogène.

Tous les commentaires et réactions


Dernier commentaire posté :


Par Doumé3 (Date : 2021-12-10 13:11:31)

Bonjour à tous.
Mes calculs recoupent ceux présentés à 10% près mais il y a une erreur sur le dessin du véhicule PAC: ce n'est pas de l'hydrogène liquide mais de l'hydrogène comprimé. Avec de l'hydrogène liquide la liquéfaction "coûte" beaucoup plus de 8% (de l'ordre de 40%).

Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-12-13 10:35:43) : Merci beaucoup pour cette correction, je vais m'en occuper ...

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Suite des 10 commentaires :

Par Zenon (Date : 2021-11-21 09:14:32)


Bonjour,
Démarche inintéressante, mais petit commentaire de physique sur la filière hydrogène, de dernier se liquéfiant à environ -251 °C n’existe pas à l'état liquide à température ambiante !!!
L'hydrogène destiné à la traction est sous forme gazeuse comprimé à 350 bars et bientôt 700 bars.


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-11-23 16:08:04) : Merci pour cet apport.
    C'est assez connu, notamment l'azote liquide qui est un gaz un peu plus connu du grand public.
    En gros la physique nous dit que chaleur = dilatation par le mouvement accru des atomes. Pour les condenser il faut donc tout refroidir, en se rapprochant le plus possible du 0 Kelvin.

    Bon après tout cela dépend du combo pression / température (on ne peut parler de l'un en omettant l'autre, mais vous le savez déjà j'imagine).

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Par cornegidouille (Date : 2021-09-13 20:48:36)


Merci pour cet article. Je me doutais bien que vu la complexité de la chaîne, il y avait un loup dans la filière hydrogène, mais là c'est clair. Je tente d'écrire un article sur les poids lourds électriques, et je ferais référence à votre article.
chronique de Rhea (wordpress.com)



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Par Legato (Date : 2021-06-26 22:12:13)


Il est étonnant que le rendement du moteur électrique ne soit pas comparable dans les deux cas de batteries et de pile à hydrogène ! (pertes -10% contre -57%) alors qu'on pourrait penser les principes et électroniques comparables.


Il y a 4 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-06-27 10:52:16) : Les deux batteries ne sont pas du tout comparables, et l'un des signes qui montre bien la différence est que la pile à combustible "génère" de l'eau ...
    Avec deux accumulateur chimiques classiques on aurait en effet pu être très étonné, là c'est quand même très différent : un accumulateur fermé/cloisonné (lithium) et un autre ouvert qui a besoin de recevoir du carburant (hydrogène).
  • Par Legato (2021-06-27 19:21:52) : d'autres sites m'ont convaincu que le rendement électricité -> H2 -> électricité est déplorable !
    Mais soyez plus précis et rigoureux dans vos rédactions déjà suffisamment difficiles à suivre comme cela. Par exemple il ne s'agit pas de deux "accumulateurs" mais d'un accumulateur vs une pile. La pile ne génère pas de l'eau (ce serait trop beau) mais de la vapeur d'eau avec laquelle part avec une déperdition importante d'énergie.
    Finalement la pile est-elle plus intéressante que de récupérer l'énergie de freinage d'une motorisation thermique à la façon d'un véhicule hybride ? (sur le plan énergétique? et sur le plan carbone? )
  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-06-29 11:24:09) : Pile et accumulateur c'est un peu parler de la même chose ...
    On parle bien de piles rechargeables, qui sont donc des accumulateurs. Je veux bien être précis mais là il n'y a pas vraiment d’ambiguïté dans mes propos.

    Pour moi de la vapeur d'eau reste de l'eau. Ne pas confondre matière et état de la matière ... Du chocolat reste du chocolat, même quand il est fondu ! A priori ça vous embrouille bien qu'il semble ici que vous parliez du fait que la vapeur est de l'eau qui est plus chargée en énergie (chaleur = mouvement des atomes / molécules vapeur = pression).


    Pour récupérer de l'énergie il faut forcément un accumulateur / pile qui puisse absorber du jus, ce qui n'est pas le cas d'une pile à combustible (ou alors il faudrait un dispositif qui électrolyse de l'eau avec l'énergie électrique générée à la décélération). Mais ce n'est pas vraiment un problème car les voitures à hydrogène une une batterie lithium qui fait tampon et qui peut récupérer l'énergie au freinage.

    Et pour répondre à votre question finale j'aurais tendance à dire que je ne la pige pas totalement, c'est un peu brouillon.
  • Par Legato (2021-06-29 12:15:41) : Nous n'arriverons pas à nous entendre, il vaut mieux en rester là. C'est culturel, mon esprit est trop terre à terre. Merci néanmoins pour les quelques informations que j'ai pu glaner chez vous. Bon vent!

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Par Mpi (Date : 2021-06-18 11:11:42)


Bonjour, j'aurais bien aimé voir dans cette analyse l'énergie grise nécessaire pour fabriquer les batteries et pour les recycler, comparé à un réservoir pour hydrogène sous pression. Merci, meilleures salutations.


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-06-18 16:09:38) : Merci pour la suggestion ;-)
    Je ne préfère pas tenter de réponse à froid.

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Par Dominique47 (Date : 2021-05-06 09:52:19)


Il me semble qu'il manque une donnée importante dans cette étude: le rapport poids puissance de la pile à combustible par rapport aux batteries embarquées. Et puis aussi l'autonomie.
Je crois avoir lu qu'à puissance égale, les batteries pesaient 4 ou 5 fois plus que la pile à combustible, ce qui doit influencer l'efficacité énergétique, en faveur de la pile cette fois ci?


Il y a 3 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-05-07 11:24:04) : A priori vous vous êtes trompé d'article, ou en tout cas il y en a un plus pertinent pour vous : cliquez ici (et même ).
    Votre question manque de précision, vous ne prenez en compte que le poids la pile à combustible ? Dans ce cas c'est vouloir s'induire en erreur.
    J'ai étudié la chose sur plusieurs articles, et une chose semble très claire, les accumulateurs (pour l'instant au lithium) sont clairement plus intelligents et efficients (Musk aurait sauté sur l'hydrogène si c'était la bonne voie. Ce monsieur est bourré de défauts mais il la tendance à être pragmatique ...). En gros, l'hydrogène pour une voiture ça n'est pas très viable, et je me pose même la question de savoir comment il est possible que des grands groupes se posent encore la question ... Je sais que l'Europe met la pression dessus, et c'est probablement pour ça que certains sont embarqués de force dans cette aventure sans lendemain (pour l'auto en tout cas ! Car en ce qui concerne le stockage d'énergie lié aux pertes de l'éolien et solaire c'est possiblement très intéressant : électrolyse).
  • Par bestof (2021-09-06 13:48:21) : L'hydrogène n'est semble t il pas une solution viable pour les automobiles domestiques, compte tenu des problèmes annexes à l'hydrogène (transport, distribution, installations spécifiques) ne pas oublier que l'hydrogène est très corrosif et donc nécessite des aciers et joints spéciaux.
    Par contre pour des michelines (trains), bus et camions, malgré un rendement global de la chaine de conversion c'est une alternative au carburants fossiles plus intéressante que les batteries Lithium Ion.
    Le problème est dans la frénésie actuelle du remplacement des carburants fossiles, le rejet du nucléaire et la valorisation à tout prix de l'éolien et du photo voltaïque on tombe dans le grand n'importe quoi. Si vous ajoutez à tout cela les subventions de l'état pour ces filières c'est la folie. Personne ne parle de l'ACV (analyse du cycle de vie) des différentes solutions ni du nombre d'éoliennes et des m² de photovoltaïques pour générer l'énergie électrique nécessaire pour produire l'hydrogène nécessaire à toutes ces applications.
  • Par Steph (2021-12-13 11:13:28) : Article très intéressant, merci. Pour aller dans le sens de Dominique, il me semble effectivement qu'une donnée a été omise pour cette comparaison. Les batteries sont effectivement bien plus lourde que le réservoir d'hydrogène, ce qui implique donc un poids plus important à tracter (le poids est l'ennemi des constructeurs automobiles) et donc une sur-consommation à puissance équivalente ou tout au moins des performances moindres. Avez-vous une idée de la perte engendrée par ce surplus de kg?
    Merci pour votre réponse.
    Stéphane.

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Par lecurieux (Date : 2021-04-27 14:32:18)


Dans votre étude, je relève:
"En fonctionnement, le moteur électrique utilisant la pile à combustible à l'hydrogène a un rendement très moyen de 48% environ ."

Comment expliquez vous:
Que le moteur soit différent entre un véhicule alimenté par une pile à combustible et un véhicule alimenté par une batterie Lithium, surtout que j'ai remarqué, toujours dans votre étude qu'il y avait une batterie en tampon.

Merci


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  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-04-28 12:05:07) : Je ne comprends pas votre commentaire en réalité ...
    C'est pas clair du tout.

    Vous semblez confondre le rendement au niveau du stator et le rendement sur la chaîne énergétique totale du véhicule.
    De plus les moteurs sont les mêmes entre électrique et hydrogène, un stator et un rotor.

    Bref, j'aurais aimé vous éclairer mais faut-il encore que vous allumiez la lumière chez vous ;-)
    Je dis ça en toute sympathie hein !

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Par Lorenzo85 (Date : 2021-04-08 17:42:25)


Merci pour votre démarche altruiste, sans pression des lobbies financiers. La vérité doit être largement diffusée si nous voulons améliorer notre avenir.
Une étude similaire devrait être faites sur les agro-carburants utilisés dans les voitures thermique, au lieu d'utiliser ces céréales pour nourrir les gens!
PS: pour info le moteur de la Tesla Model3 atteint 96%.
Les batteries continuent d'évoluer (plus de Cobalt dans les nouvelles techno). Le moteur thermique, tout comme la machine a vapeur en son temps, devient obsolète. Le défi est maintenant le stockage de l'énergie électrique.


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  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-04-10 10:14:27) : Merci beaucoup ;-)

    Mais au delà du stockage, bientôt viendra le souci de la source d'énergie ...
    La crise énergétique à venir risque d'être fatale pour notre espèce, qui en a abusé de manière névrosée.

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Par Clk (Date : 2021-02-22 21:09:19)


J'aime beaucoup : Très clair et synthétique, N'a rien a vendre autre que la vérité. Merci


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  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-02-25 10:44:53) : Merci beaucoup, la vérité est mon let leitmotiv bien que je sais pertinemment qu'elle est presque hors de portée dans son entièreté ...
    Sachez aussi que ça me porte parfois préjudice, surtout dans un monde qui favorise souvent les menteurs et manipulateurs (souvent lié à des conflits d'intérêts).

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Par Un étudiant (Date : 2020-12-29 19:14:13)


Bonjour, dans le cadre d'un projet d'étude sur la filière de l'hydrogène, je serais intéressé d'avoir si possible les sources des chiffres sur le rendement et les pertes d'énergie, svp


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  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-01-02 12:48:02) : Ademe ...

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