Toyota Mirai :

Avec un moteur à hydrogène : la technologie automobile de demain ? Pas si sûr …

Par Marcel PIROTTE

Essayer aujourd’hui une voiture du futur qui sera produite en grande série dès 2025/ 2030, ça vous tente ?

Chez GatsbyOnline, on n’a pas hésité une seule seconde. D’où cette prise en mains d’une berline pas comme les autres : la Toyota Mirai, Mirai signifiant « futur » en japonais. Associer en effet l’hydrogène à une pile à combustible pour actionner un moteur électrique et ne rejeter dans l’atmosphère que de l’eau, c’est le rêve de tout motoriste. Mais entre le rêve et la réalité, les contraintes technologiques prennent parfois beaucoup de temps tout en n’étant pas à la portée de toutes les bourses.

Dans dix ou quinze ans, cette technologie sera, selon certains constructeurs, parfaitement au point et de plus le réseau d’approvisionnement en hydrogène devrait être suffisamment étendu pour voyager dans toute l’Europe. Un projet sans doute séduisant mais tellement …irrationnel, du moins, c’est ce que nous pensons. Lisez plutôt.

L’hydrogène pour faire tourner des machines, ce n’est pas nouveau. En 1799, le français Philippe Lebon réalise déjà un gaz d’hydrogène réalisé à partir de bois et composé d’au moins 50 % de dihydrogène mieux connu sous le symbole chimique H2. Un an plus tard, quatre chercheurs européens découvrent le fameux gaz de houille qui est un gaz hydrogène carboné, contenant 50 % de dihydrogène, 32 % de méthane et 8 % de monoxyde de carbone, sa première application sera l’éclairage. En 1804, le suisse François Isaac de Rivaz fabrique les premiers moteurs « à hydrogène » utilisant le gaz de houille.

Il faudra pourtant attendre plus de 50 ans pour qu’un Belge, Etienne Lenoir, naturalisé français en 1870, dépose le brevet d’un moteur deux temps fonctionnant au gaz de houille, de quoi entraîner le premier bateau à moteur sur la Seine en 1861. En 1883, il remet ça mais cette fois avec son hippomobile fonctionnant avec un moteur à quatre temps utilisant le cycle Beau de Rochas. En Allemagne, Nikolaus Otto réalise en 1867 un moteur assez perfectionné de 4 chevaux fonctionnant au gaz de houille. De quoi fonder cinq ans plus tard avec Gottlieb Daimler la société Deutz AG située dans les environs de Cologne, spécialisée dans la fabrication de moteurs à explosion. Daimler quittera la société dix ans plus tard afin de jeter les bases avec Karl Benz de la future société Daimler Benz mieux connue sous le nom de Mercedes.

Au milieu du 19e siècle, les premières recherches sur la fameuse pile à combustible débutent avec un prototype réalisé par l’anglais William Grove, il ne dépassera pas le stade du laboratoire. A la même période, un chimiste allemand, Christian Schönbein, découvre les propriétés de l’électrolyse de l’eau, à l’origine de la pile à combustible. Un siècle plus tard, au lendemain de la seconde guerre mondiale, les études reprennent, l’ingénieur anglais Francis T. Bacon, fabrique des prototypes de 1 et 5 kW, des évolutions vont notamment se retrouver à bord des missions spatiales Apollo.

Dans la seconde moitié du 20e siècle, la pollution automobile engendrée par le nombre de véhicules lancés sur toutes les routes du globe, va grimper de manière exponentielle. Il faut faire quelque chose. Du coup, certains constructeurs japonais prennent les devants. Mazda tout d’abord qui en 1980 s’intéresse à l’utilisation du dit hydrogène afin d’actionner ses différents moteurs rotatifs. Ensuite c’est au tour de Toyota et Honda de concentrer leurs recherches sur l’utilisation de la pile à combustible alimentée par de l’hydrogène afin de faire tourner un moteur électrique. Nous reparlerons de Toyota un peu plus loin, voyons d’abord les réalisations signées Honda.

A la fin du siècle dernier, le constructeur nippon se lance dans la recherche d’un moteur électrique alimentée par de l’hydrogène via une pile à combustible, ce sera l’époque de la FCX. Un prototype sorti en 1999 mais suivi neuf ans plus tard par une réalisation produite en très petite série au Japon, la FCX Clarity équipée d’un moteur électrique de 134 ch. garantissant une autonomie un rien supérieure à 400 km. Une bonne quarantaine d’exemplaires seront vendus aux States. Au salon de Tokyo l’an dernier, Honda dévoile une version encore plus puissante de cette Clarity baptisée » Fuel Cell ». Cette berline 4/5 places de 4,90 m de long se voit dotée d’un bloc électrique développant cette fois 177 ch. garantissant une autonomie de 700 km alors que l’hydrogène gazeux se voit stocké à une pression de 700 bars. Dès 2017, cette voiture qui était présente au dernier salon de Genève sera vendue ou proposée en « leasing » à des clients britanniques et danois. Ces deux pays ayant mis la « gomme » en nombre de stations de recharge en hydrogène.

Il y a une bonne dizaine d’années, BMW qui travaillait depuis 25 ans sur un moteur alimenté par hydrogène développe une grande berline 760 Li pesant près de 2,5 tonnes, équipée d’un V12 de 6 l ramené à seulement 260 ch., pouvant être alimenté par de l’essence ou bien par de l’hydrogène liquide obtenu à partir de pétrole ou de gaz naturel. Une bonne centaine d’exemplaires sont prévus en leasing mais pour stocker cet hydrogène, cela réclame beaucoup d’énergie. Pour le garder en effet à l’état liquide à -253 ° c, le réservoir de 170 l qui occupe la moitié du coffre ne contient que 8 kg d’hydrogène, de quoi garantir une autonomie de 200 km. Avec cependant l’apport de l’essence ainsi qu’une consommation moyenne de 14 l/100 km, on peut envisager des étapes de 600 km. Mais un autre problème et de taille celui-là va surgir. Le niveau d’isolation du réservoir d’hydrogène n’étant pas au top, une partie de son contenu se réchauffe et finit par s’évaporer. Après quelques jours, la moitié de la contenance de ce réservoir ne serait plus exploitable. Du coup, BMW abandonne ce concept trois ans plus tard pour encore mieux rebondir en 2015 avec l’aide de Toyota dans le concept de la pile à combustible. Deux prototypes avec moteur de 245 ch., une GT5 ainsi qu’un coupé i8, seront présentés l’année dernière avec une commercialisation prévue en 2020. C’est demain …

Au début de ce siècle, les coréens de Hyundai se tournent eux aussi vers cette solution qui verra la sortie en 2013 sur certains marchés européens du SUV IX35 rebaptisé « fuel cell » en 2016. Son moteur de 136 ch. ainsi qu’un couple de 300 Nm sans oublier une contenance des deux réservoirs de moins de 6 kg d’hydrogène, permettent de lui garantir une autonomie de près de 600 km et ce malgré un poids en hausse, près de deux tonnes, soit près de 400 kg de plus que son cousin thermique Tucson. Cinq IX 35 transformés en « taxis » étaient déjà utilisés dans la capitale parisienne, ils vont être rejoints par une flotte de 60 unités appartenant à la société du taxi électrique parisien. De quoi « booster » l’intérêt pour la pile à combustible mais une « goutte d’eau » parmi les 17.000 taxis parisiens. Mais ce n’est qu’un début, un tout nouveau Crossover Hyundai présenté sous forme de prototype au dernier salon de Genève pourrait être décliné en série dès 2017, début 2018. A suivre.

Et maintenant revenons à notre Toyota Mirai. Depuis près de 25 ans, le géant japonais a lancé un vaste programme de recherche sur une pile à combustible capable d’alimenter un moteur électrique à partir d’un réservoir à hydrogène tout en rejetant de la vapeur d’eau. Qu’on ne s’y trompe pas, Mirai est une voiture 100 % électrique ne faisant cependant pas appel à des « batteries » classiques rechargeables en roulant ou bien via des bornes domestiques ou à grand débit. Pour faire simple et ne pas trop vous ennuyer avec une description technique plutôt rébarbative, je reprendrai le petit schéma de fonctionnement édité par Toyota, facilement compréhensible par le commun des mortels.

A bord de Mirai, l’oxygène de l’air entre par les généreuses prises d’air avant de cette berline 4 places de 4,90 m de long tout en étant compressé alors que l’hydrogène stocké dans deux réservoirs à haute pression de 700 bars (d’une contenance totale de 122 l permettant d’embarquer environ 5 kg d’hydrogène) est lui aussi envoyé dans la pile à combustible, ce qui provoque une réaction chimique générant de l’électricité. Cette « petite fée » alimente bien évidemment un moteur électrique de 154 ch et 335 Nm qui entraîne les roues avant, le seul rejet étant de la vapeur d’eau.

Sur une plate-forme allongée de Prius, Mirai embarque dès lors une « véritable usine à gaz ». Sous le capot avant, on retrouve le moteur électrique implanté transversalement mais également son unité de régulation de puissance remplissant deux rôles importants : Gérer à la fois la puissance de la pile à combustible mais également de la batterie hybride nickel-métal ( NiMh, située derrière la banquette arrière ) afin d’augmenter la puissance lors des accélérations. Quant à la fameuse pile à combustible plutôt compacte ainsi que son convertisseur de 650 V, ces deux unités se positionnent dans le plancher sous les sièges avant et la console centrale. Les deux réservoirs à hydrogène se voulant disposés sous la banquette arrière. Pas simple, vous l’aurez compris.

Du coup, cette grande voiture plutôt élégante, à la forme d’une soucoupe ou plutôt d’une banane avec un Cx flatteur de 0,29, ne peut cependant accueillir que 4 passagers, son coffre non modulable offrant une capacité moyenne de 361 l. Alors que cette berline pèse tout de même quelque 1925 kg en ordre de marche, elle peut se targuer d’une excellente répartition des masses de 50/50 mais également d’un équipement de série plutôt complet passant par la résistance incroyable des réservoirs d’hydrogène renforcés de fibres de carbone tout en possédant une structure résistant aux impacts les plus violents sans oublier des capteurs intelligents détectant la moindre fuite d’hydrogène, faisons dès lors confiance aux ingénieurs de la Mirai. En matière de sécurité active et passive, ils n‘ont pas oublié les systèmes à la page : Comme le pré-crash, l’alerte de franchissement de ligne blanche ou de trafic transversal arrière, les phares de route automatiques, la surveillance des angles morts, huit airbags ainsi que les panneaux de carrosserie absorbant l’énergie lors d’un impact avec un piéton. De série et il n’y a pas d’autre possibilité, Mirai repose sur des jantes de 17 pouces et des pneus de 215/55 tout en bénéficiant de liaisons au sol assez sophistiquées. Motricité, tenue de route et confort sont dès lors au rendez-vous de même qu’une habitabilité fort généreuse pour tous les occupants.

A bord, on se croirait dans un hybride Toyota. Joy stick pour sélectionner la marche avant avec la position B maximisant le freinage tout en rechargeant davantage la batterie mais également la marche arrière sans oublier un ordinateur de bord très complet. Il informe en permanence les passagers à propos de l’utilisation de la voiture et surtout sur l’autonomie restante sans oublier via internet l’emplacement des pompes à hydrogène. Cela nous a fait bien sourire, il n’y en a qu’une seule pour toute la Belgique, une en Suisse ainsi qu’une douzaine en France, mais une bonne cinquantaine en Allemagne.

Et comment ça roule ? Comme une voiture électrique. Souplesse, silence de fonctionnement, absence de vibrations, poussée très linéaire, couple maxi dès les premiers tours de roues, ce n‘est sans doute pas un foudre de guerre comme la plupart des autres voitures » purement électriques », on atteint 100 km/h en 10 s, la vitesse de pointe approchant les 180 km/h mais à cette allure-là, la consommation d’hydrogène augmente de manière exponentielle. En roulant normalement, comptez sur une dépense moyenne de 1 kg/100 km d’hydrogène, d’où une autonomie pratique de 400 à 420 km, le kg d’hydrogène étant facturé en Europe à 10 €.

Un plein d’hydrogène peut être effectué entre trois et cinq minutes, aussi vite que pour remplir son réservoir d’Eurosuper ou de diesel. Faites le compte, rouler 100 km avec la Mirai devrait vous couter quelque 10 € de carburant, nettement plus qu’avec une voiture électrique rechargeable à domicile, la même distance revenant à un peu plus de 3 €. Ajoutons également que cette Mirai n’est pas vendue mais « louée » avec un loyer mensuel de 1129 € (comprenant l’entretien ainsi que les assurances), cette berline étant aussi garantie 5 ans (également sur la mobilité) avec un maximum de 150.000 km.

Et maintenant, l’heure du bilan. Louer une Mirai, « ce n’est pas donné » ! D’autant qu’il s’agit d’une voiture « « électrique » mais à l’heure actuelle, aucune autre concurrente dont l’énergie est uniquement fournie par des batteries ne peut rivaliser en autonomie avec une Mirai, même pas la plus chère des berlines Tesla, j’en ai fait l’expérience. A lire dans une de mes prochaines chroniques. Autres avantages de cette Mirai, le plein se fait aussi rapidement qu’avec une voiture thermique, encore faut-il trouver une pompe à hydrogène délivrant ce précieux carburant à 700 bars, l’installation d’une telle pompe revenant à près de cinq millions d’euros. Mais on y travaille avec évidemment le soutien de certains « pétroliers » qui voient-là, une excellente occasion de se la jouer « écolo » tout en revenant à leurs vieux démons !

On a tous en tête ce slogan « Emprunter de l’argent coute de l’argent ». Et bien pour « produire de l’énergie, ça coute beaucoup d’énergie «. C’est encore plus vrai dans le cas de la production de l’hydrogène et ça coute également les yeux de la tête. Actuellement, la production d’hydrogène se fait encore à plus de 90 % à partir de matières fossiles et principalement par « vaporeformage » de gaz naturel. Tout en étant exposé à la vapeur d’eau très chaude, le gaz naturel libère l’hydrogène qu’il contient. C’est sans doute le procédé le plus économique mais pas tellement écologique dans la mesure où il utilise toujours les énergies fossiles tout en rejetant de grandes quantités de CO2. D’après les ingénieurs, la fabrication d’un kilo d’hydrogène produit environ 10 kg de CO2. Faites le compte, Mirai nécessite un kg d’hydrogène pour parcourir 100 km, du puits à la roue, il émet donc 100 g/km de CO2. Les voitures hybrides font nettement mieux, les « électriques » sont imbattables. Heureusement, d’autres solutions existent mais elles sont encore très chères. La méthode sans doute la plus écologique est l’électrolyse de l’eau comme on nous l’a appris à l’école. A partir d’une réaction chimique, l’hydrogène gazeux se dépose sur la cathode et l’oxygène sur l’anode. En théorie, c’est simple mais beaucoup plus compliqué à mettre en œuvre à l’échelon industriel. Si l’on constate un bien meilleur bilan au niveau des rejets de CO2, en revanche, il faut par exemple 66 kWh pour produire un kilo d’hydrogène permettant dans le cas d’une voiture à pile à combustible de parcourir 100 km. Avec une telle quantité d’énergie, un véhicule électrique alimenté par batterie roulerait environ 350 km …Facile de comprendre qu’il est sans doute plus efficace de stocker l’électricité dans une batterie que de la transformer en hydrogène. Et je ne vous parle pas des couts de production par électrolyse, il est trois à quatre fois supérieur à celui obtenu par « vaporeformage » de gaz naturel.

Ne tirons cependant pas sur la comète, l’hydrogène permet également de stocker l’énergie produite par des sources renouvelables comme le vent ou le soleil, on y travaille sérieusement. En Allemagne, une étude a démontré que les éoliennes produisent chaque année près de 500 GWh d’électricité non utilisée, de quoi faire rouler « gratuitement « 60.000 voitures à combustible. Et puis il y a également ce problème de la distribution d’hydrogène, un vrai casse-tête, lui aussi très cher. Tant il y a de précautions à prendre, cela revient à doubler les couts par rapport au gaz naturel. Et puis comment approvisionner les stations de recharge ? Par gazoducs, impensable et surtout hors de prix afin de ravitailler chaque pompe ! Reste la solution par camion citerne. Une remorque qui transporte 20 tonnes de carburant ne peut embarquer qu’un peu plus de 3 tonnes d’hydrogène liquide qu’il faut ensuite compresser à 350 voire même à 700 bars. D’après certains ingénieurs mais également les dirigeants de Tesla qui prêchent bien évidemment pour leur « chapelle » sans oublier quelques responsables techniques des plus grands constructeurs, la pile à combustible est actuellement un « non sens » écologique, irrationnel au possible. Cette solution ne peut pas non plus rivaliser sur le plan économique avec les « batteries classiques » qui permettent d’entrainer des voitures électriques. D’autant qu’avec les progrès enregistrés en termes d’autonomie, ces « batteries » devraient demain garantir des étapes de 400 à 500 km « réels » avant de refaire « le plein de jus » qui prendrait entre vingt et trente minutes. Et ce serait nettement moins cher à l’utilisation, tant à l’achat de la voiture que lors des différentes recharges.

Autrement dit, la pile à combustible représente sans doute une belle solution d’avenir. Mais l’achat d’une telle voiture est encore prohibitif, pas assez rentable, cela fait aussi un peu peur lorsqu’on parle d’hydrogène aux communs des mortels. En outre, la fabrication de d’hydrogène réclame encore beaucoup trop d’énergie et coute beaucoup d’argent, ce n’est pas (encore) très écologique mais c’est sûr, on en reparlera dans une bonne dizaine d’années. Rendez-vous dès lors en 2025 pour l’essai, si dieu le veut, d’une Toyota, Mercedes, Honda, BMW et bien d’autres modèles qui seraient alimentés par une pile à combustible utilisant de l’hydrogène qui selon Nissan pourrait aussi être fabriqué à bord via un « reformeur » brulant du bioéthanol. Une toute autre approche, qui sait …Une chose est cependant certaine, les moteurs thermiques se retrouveront sous le capot de 75 % à 80 % des voitures neuves vendues en 2025. Et ceux qui prévoient la fin pour 2030 des moteurs à explosion en seront pour leurs frais !

Marcel PIROTTE