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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.

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