Source: Panorama autobus urbain (rapport ADEME déc 2018)
L’autobus est un véhicule affecté au transport urbain de voyageurs (assis ou debout), et dont la taille est variable :
- Minibus : environ 30 places
- Midibus : entre 70 et 80 places
- Standard (12 m) : environ 100 places
- Articulé (18 m) : entre 175 et 200 places
- Grande capacité (24 m) : entre 275 et 300 places
Plusieurs projets faisant appel à diverses solutions « hydrogène » sont apparus au début des années 90 :
- Moteur thermique à hydrogène pur ou à mélange gaz-hydrogène (hythane)
- Moteur électrique alimenté par une pile à combustible (PAC), de divers types (AFC, PAFC, PEFMC)
Tous les projets de bus à hydrogène dans le monde adoptent aujourd’hui la technologie PAC avec le type de pile PEFMC. C’est cette filière spécifique qui est développée ci-après. A noter qu’un bus à PAC reste un véhicule électrique (l’hydrogène n’est qu’un vecteur énergétique permettant, grâce à sa densité énergétique importante de stocker de l’énergie à bord et ainsi d’augmenter l’autonomie des bus électriques).
1) Présentation / caractéristiques
Un autobus équipé d’une pile à combustible (PAC) est un véhicule électrique dont l’énergie est produite directement à bord (les batteries sont remplacées par le réservoir d’hydrogène et la PAC).
Le bus à hydrogène (FCEB = Fuel Cell Electric Bus) stocke son énergie dans un réservoir à hydrogène (monté sur le pavillon du bus), semblable à un réservoir d’essence. Cet hydrogène va être transformé en électricité par une pile à combustible (pile de type PEFMC). Ce courant va alimenter le moteur électrique qui va le convertir en énergie mécanique pour faire tourner les roues. En outre, le moteur électrique est capable, lors des freinages, de convertir l’énergie mécanique en excès en énergie électrique. Cette énergie électrique créée est alors stockée dans la batterie de régulation.
La pile à combustible est un dispositif électrochimique (2 électrodes, l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte) dans lequel l’hydrogène et l’oxygène gazeux se combinent pour fournir de l’électricité, de l’eau et de la chaleur suivant un processus inverse de celui de l’électrolyse de l’eau : à l’anode, l’oxydation électrochimique de l’hydrogène produit 2 protons qui traversent l’électrolyte et 2 électrons qui passent dans le circuit extérieur en produisant l’énergie électrique et vont réduire électro- chimiquement l’oxygène (de l’air) en produisant de l’eau.
Ces réactions peuvent se produire à la température ambiante grâce à un catalyseur favorisant la coupure des liaisons chimiques dans les molécules d’hydrogène et d’oxygène.
La durée de vie d’une pile à combustible est de l’ordre de 7 000 heures soit, à 20 km/h en moyenne, une durée de vie de l’ordre de 140 000 km.
Schémas de fonctionnement d’un bus hydrogène
(avec une PAC prolongateur d’autonomie ou une PAC pleine puissance)
Seuls les véhicules à PAC pleine puissance sont détaillés ci-après.
2) Cadre réglementaire et fiscal
2.1.Réglementation
Les véhicules à pile à combustible sont catégorisés dans le groupe 1 des types d’autobus à faibles émissions du décret n°2017-23 du 11 janvier 2017.
Le stockage de l’hydrogène relève de la rubrique 4715 de la nomenclature des IPCE.
On distingue 2 systèmes d’autorisation d’ouverture de site selon le débit ou la capacité des installations : déclaration préfectorale (entre 100 kg et 1 000 kg) ou autorisation préfectorale (entre 1 t et 50 t : installation soumise à autorisation, au-delà de 50 t : installation soumise à autorisation et servitudes d’utilité publique).
Pas de classification au-dessous de 100 kg stockés sur site.
2.2.Fiscalité
Le dispositif, voté en commission dans le cadre du projet de loi de finances pour 2019 (PLF 2019), proroge jusqu'à fin 2021 le dispositif de déduction exceptionnelle en faveur des véhicules lourds, notamment pour ceux fonctionnant grâce à une motorisation électrique ou à pile à hydrogène. En revanche, elle réserve désormais le dispositif à l'acquisition des seuls véhicules neufs. Ce dispositif permet aux sociétés de déduire de leur impôt une somme égale à 40 % de la valeur des véhicules de plus de 16 tonnes qu'elles acquièrent, prennent en crédit-bail ou en location avec option d'achat (et 60 % de la valeur des véhicules compris entre 3,5 et 16 tonnes).
2.3. Maturité de la filière
2.3.1.Disponibilité des véhicules
Les constructeurs qui proposent des autobus avec pile à combustible sont encore peu nombreux. En Europe, les constructeurs Mercedes, Van Hool et Solaris ont été les précurseurs de la motorisation hydrogène. A ce jour, il n'y a pas de bus circulant avec une pile à combustible en France même si plusieurs réseaux devraient déployer en 2019 les premières flottes de bus à hydrogène (Pau, Lens et Versailles notamment). On peut néanmoins citer les déploiements internationaux dans le cadre de projets européens.
Projets européens de déploiement de bus hydrogène
2.3.2.Conditions d’avitaillement et d’implantation des infrastructures
L’exploitation d’une flotte de bus fonctionnant à l’hydrogène nécessite une structure d’approvisionnement dédiée. L’utilisation de l’hydrogène permet un remplissage rapide en station (de l’ordre de 5 à 10 minutes).
Schéma d'approvisionnement de l'hydrogène de l'usine au bus © Engie
A noter que conformément aux préconisations de l’ADEME, le recours à la filière hydrogène n’a de sens que :
- pour une production locale (ce qui exclut le transport de l’hydrogène par camion de type tube-trailer jusqu’à la station),
- si l’on a recours à de l’électricité verte.
Vue d’artiste de déploiement d’une station au dépôt
(zone de stockage de l’hydrogène, bâtiment abritant la production et la compression de l’hydrogène et zone de recharge pour les bus)
2.3.3.Exploitation
L’autonomie des véhicules permet de parcourir entre 300 et 500 km selon la pression dans les réservoirs d’hydrogène et leur taille.
Par rapport à un bus diesel, le bus à hydrogène permet de parcourir plus de 40 % de distance en plus (ramené à la tep).
La consommation moyenne est inférieure à 10 kgH2/100km.
La demande quotidienne pour une flotte d’une centaine de bus dépasse les 2 tH2/jour.
2.3.4.Maintenance Les retours d’expérience étrangers montrent une meilleure disponibilité du bus hydrogène par rapport à son homologue diesel.
2.4. Données économiques
Le coût d’acquisition d’un bus hydrogène est multiplié presque par 4 par rapport à l’achat d’un véhicule diesel (entre 600 et 800 k€ pour un bus standard avec des projections à ~450 k€ à l’horizon 2025).
Le coût de maintenance, très élevé également, avoisine les 0,65 €/km (malgré une meilleure fiabilité que son équivalent diesel).
Le coût moyen de l’hydrogène (incluant le coût de l’infrastructure) se situe aux alentours de 8 €/kgH2 (allant de 4 à plus de 10 €/kgH2, à 350 bars (source : projet NBF, newbusfuel.eu).
12.5. Impacts environnementaux
Pollution locale
L’utilisation d’une pile à combustible permet de supprimer toutes les émissions polluantes à l’échappement (rejette uniquement de la vapeur d’eau). Comme pour n’importe quel bus électrique, les émissions de particules fines dues à l’abrasion et au freinage sont, elles, toujours présentes, bien que réduites par rapport à un bus thermique classique (la récupération de l’énergie au freinage permettant un moindre usage des freins).
Pollution globale
L’impact global du puits à la roue a été estimé en 2015 dans le cadre d’une étude européenne à 108 kgCO2/100km pour la technologie SMR (vaporeformage de méthane) et à 31 kgCO2/100km par électrolyse (avec le mix électrique français), pour une référence diesel calculée à 122 kgCO2/100km.
Pour information, une analyse de cycle de vie détaillée, conduite par l’ADEME en 2013 permet d’estimer (du puits à la roue, sans prise en compte de la phase de construction/déconstruction du véhicule) qu’un bus qui consomme 10 kg d’H2/100km (soit 0,1 kg d’H2/km) émet 104 g de CO2/km pour une production au pied de l’éolienne, 330 g de CO2/km pour une production par électrolyse avec mix France, 998 g de CO2/km pour une production par vaporeformage de gaz naturel. A comparer à un bus diesel qui émet environ 1 200 g de CO2/km, cela fait donc une réduction des émissions de CO2 de 91 %, 72,5 % et 17 %.
Par ailleurs, des solutions pour limiter l’emploi de certains métaux précieux doivent être étudiées et mises en place (recyclage, amélioration des technologies actuelles). Autres impacts L’utilisation d’une pile à combustible permet de réduire les nuisances sonores et olfactives.
2.6. Synthèse
Les technologies associées à l’hydrogène mobilité sont encore chères et les expérimentations et déploiements à venir nécessitent, comme toute technologie émergente, un soutien pour amorcer la demande de véhicules et accélérer l’industrialisation. Les enjeux sont en partie liés à la mise en place de chaînes d’assemblage automatisées, pour les piles mais aussi pour certains équipements périphériques, qui permettra de baisser les coûts.
Hypothèses de calcul du coût de l’énergie pour les différentes filières:
Coût total de détention (TCO, en €) d’un bus standard 12 m sur sa durée de vie:
