Moteur hydrogène : comment ça marche ?
Le moteur hydrogène est une solution incontournable pour la décarbonation de la mobilité intensive. Il repose sur l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique et, selon la technologie, n’émet pas (dans le cas de la pile à combustible) ou peu (dans le cas du moteur à combustion) d’émissions : CO2, Nox (oxyde d’azote). Dans cet article, nous explorerons en détails le fonctionnement du moteur hydrogène, ses avantages, ses inconvénients et son potentiel pour répondre aux défis environnementaux actuels.
Qu’est-ce qu’un moteur hydrogène ?
Un moteur hydrogène permet de convertir l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie mécanique pour faire avancer un véhicule. Il existe deux types de technologies :
- La pile à combustible (PAC, ou FC = Fuel Cell en anglais), couplée à un moteur électrique
- Le moteur à combustion interne hydrogène (ou HICE = Hydrogen Internal Combustion Engine en anglais)
Comment fonctionne le système de pile à combustible d’un véhicule hydrogène ?
La pile à combustible est le cœur du système. Actuellement, cette technologie est la plus répandue quand on parle de véhicule hydrogène.
Découvrez ci-dessous les étapes clés pour le fonctionnement de la pile à combustible :
- L’hydrogène gazeux est stocké dans les réservoirs du véhicule après un avitaillement en station hydrogène [2].
- Il est ensuite acheminé vers la pile à combustible par l’anode, tandis que l’oxygène de l’air entre par la cathode.
- À l’anode, une réaction chimique a lieu, qui vient séparer l’hydrogène en électrons et protons. C’est l’oxydoréduction.
- Les électrons circulent dans un circuit externe, générant ainsi de l’électricité qui alimentera le moteur électrique.
- Pendant ce temps, les protons traversent l’électrolyte jusqu’à la cathode, où ils réagissent avec l’oxygène et les électrons pour former de l’eau.
- C’est ainsi que les seules émissions d’un véhicule fonctionnant avec une PAC seront de la vapeur d’eau à l’échappement.
Comment fonctionne le moteur à combustion interne hydrogène ?
Le moteur à combustion interne hydrogène fonctionne de manière similaire à un moteur thermique traditionnel. Cependant, au lieu de brûler de l’essence ou du diesel, l’HICE brûle de l’hydrogène. Explication de son fonctionnement, étape par étape :
- L’hydrogène gazeaux est stocké dans les réservoirs du véhicule après un avitaillement en station.
- L’hydrogène est ensuite injecté dans la chambre de combustion du moteur via des injecteurs, pour être mélangé à l’air.
- Un piston comprime ce mélange gaz-hydrogène. Cette compression augmente la pression et la température de la chambre à combustion.
- La bougie d’allumage enflamme le mélange dans la chambre.
- Lorsque le mélange s’enflamme, de la chaleur et de l’énergie sont générées, faisant ainsi monter le piston. Cette énergie est ensuite convertie en action mécanique.
- La poussée produite par la combustion est utilisée pour faire tourner les roues du véhicule.
- La soupape d’échappement s’ouvre pour libérer les gaz brûlés : des oxydes d’azote (NOx) et, en cas d’hydrogène impur, éventuellement du CO₂.
Pile à combustible ou moteur à combustion interne ? Découvrez les différences !
Cet article analyse les avantages et les limites des deux technologies : HICE et FC. Pour découvrir les atouts et les inconvénients des véhicules à hydrogène en général, nous vous invitons à consulter notre article « Pourquoi choisir une voiture à hydrogène ? Avantages, inconvénients et usages concrets ».
Avantages et inconvénients de la pile à combustible (PAC)
✅ Avantages
- Zéro émission à l’utilisation : Le seul rejet de la PAC est de la vapeur d’eau. Aucun gaz à effet de serre ni polluant atmosphérique n’est émis.
- Meilleur rendement énergétique que l’HICE : Le rendement global d’une PAC se situe généralement entre 40 et 50 % [1]. Cette technologie génère directement de l’électricité par une réaction électrochimique, sans combustion. Aujourd’hui, le rendement global d’une PAC reste plus important que celui d’un moteur à combustion interne.
- Fonctionnement silencieux : Comme les véhicules électriques, le système PAC produit peu de bruit et est sans vibrations, ce qui améliore le confort de conduite et réduit la pollution sonore.
- Maintenance réduite : Les moteurs à PAC comportent moins de pièces mécaniques en mouvement que les véhicules thermiques. Cette simplicité réduit l’usure des composants et limite donc les interventions d’entretien.
❌ Inconvénients
- Coût élevé : Les PAC sont encore coûteuses, car la technologie est encore jeune et qu’elles nécessitent d’utiliser du platine, matériau rare et cher.
- Sensibilité à la pureté de l’hydrogène : La pile nécessite un hydrogène très pur pour fonctionner efficacement, généralement supérieur à 99,99 %
Avantages et inconvénients du moteur à combustion interne hydrogène
✅ Avantages
- Technologie connue et maîtrisée : Le moteur à combustion hydrogène s’appuie sur les bases des moteurs thermiques traditionnels, ce qui rend plus facile l’intégration des moteurs dans les chaînes de production actuelles.
- Moins coûteux à produire : La fabrication d’un bloc moteur classique ne nécessite pas de platine, d’où un coût moindre.
- Tolérance aux impuretés : Ce type de moteur est plus tolérant aux impuretés présentes dans l’hydrogène : il peut fonctionner avec un hydrogène moins pur sans compromettre ses performances ni sa longévité, car les impuretés sont en grande partie éliminées lors de la combustion.
❌ Inconvénients
- Rendement énergétique plus faible que la PAC : Le rendement global d’un moteur à combustion hydrogène se situe à l’heure actuelle entre 20 et 30 %. Il pourrait évoluer à 50% [2]. La conversion de l’énergie chimique en chaleur, puis en énergie mécanique, entraîne des pertes à chaque étape du processus.
- Émissions de NOx : Même si le moteur à combustion hydrogène n’émet pas de CO₂, il génère tout de même des polluants : des oxydes d’azote (NOx). Cela est dû aux températures très élevées atteintes lors de la combustion.
- Bruit et vibrations : Le processus mécanique reste similaire à ceux d’un moteur thermique, le bruit et les vibrations sont donc toujours présents, ce qui engendre de la pollution sonore et de l’inconfort à la conduite.
- Usure mécanique : De nombreuses pièces mécaniques sont en mouvement pour faire fonctionner le moteur à combustion hydrogène, ce qui demande plus d’entretien, comme sur un moteur thermique classique.
- Moins adapté aux usages urbains : Ce type de moteur ne produit pas d’électricité pour soutenir les démarrages ou les accélérations à faible vitesse, ce qui peut le rendre moins réactif dans les conditions de circulation urbaine.
Le tableau comparatif ci-dessous résume les avantages et inconvénients de chaque technologie :
Critères | Moteur à pile à combustible (PAC) | Moteur à combustion hydrogène |
Émissions locales | ✅ Aucune émission locale (seulement de l’eau) | ❌ Émissions de NOx + émissions de CO2 variables selon la pureté de l’H2 |
Rendement énergétique | ✅Moyenne (40 à 50 %) | ❌ Faible (20 à 30 %), avec un potentiel à 50% |
Confort de conduite | ✅ Silencieux, peu de vibrations | ❌ Bruyant, vibrations présentes |
Maintenance | ✅ Réduite (peu de pièces mécaniques) | ❌ Élevée (plus de pièces en mouvement) |
Pureté de l’hydrogène | ❌ Très exigeante (≥ 99,99 %) | ✅ Tolérante aux impuretés (jusqu’à un taux d’impuretés de 1 à 2 %) |
Coût de production | ❌ Encore élevé (technologie complexe, matériaux coûteux) | ✅ Moins coûteux (technologie connue, moins de matériaux critiques) |
Intégration industrielle | ❌ Moins standardisée | ✅ Facile à intégrer dans les chaînes existantes |
Adaptation aux usages urbains | ✅ Réactif, adapté à la ville | ❌ Moins réactif à bas régimes, moins adapté à l’urbain |
Rétrofit : et si vous donniez une seconde vie à vos véhicules thermiques ?
Le rétrofit hydrogène consiste à remplacer le moteur thermique (diesel ou essence) d’un véhicule existant par une motorisation propre, fonctionnant à l’hydrogène. Cette solution permet de décarboner des véhicules déjà en circulation tout en évitant d’en produire de nouveaux. Elle s’inscrit pleinement dans une démarche d’économie circulaire et de transition vers une mobilité plus durable.
Rétrofit d’un moteur thermique en hydrogène : quelles options ?
Selon les usages et la technologie choisie, deux types de conversion sont envisageables :
- Rétrofit hybride hydrogène-électrique (pile à combustible)
Le rétrofit hybride hydrogène-électrique consiste à retirer le moteur thermique, le réservoir à carburant fossile et le système d’échappement. Ils sont remplacés par une pile à combustible, une batterie électrique et un ou plusieurs réservoirs d’hydrogène haute pression (souvent à 350 ou 700 bar selon le type de véhicule).
D’autres composants sont également intégrés ou adaptés : électronique de puissance, dispositif de refroidissement spécifique, capteurs de sécurité hydrogène…
- Rétrofit moteur à combustion hydrogène (HICE)
Le moteur thermique d’origine est modifié ou remplacé pour fonctionner à l’hydrogène tout en conservant le principe de combustion interne. Cette solution permet de réduire les émissions de CO₂ à l’échappement, sans changer l’architecture du véhicule. Concrètement, plusieurs éléments sont adaptés : les injecteurs sont remplacés pour être compatibles avec l’hydrogène, le système d’admission est ajusté pour optimiser le mélange air/gaz, et les chambres de combustion sont modifiées. Le reste de la chaîne cinématique (boîte de vitesses, transmission) est souvent conservé, ce qui facilite l’intégration. Ce type de rétrofit hydrogène est particulièrement pertinent pour les véhicules lourds, car il repose sur des technologies éprouvées, nécessite moins de transformations qu’un passage à l’électrique, et valorise les chaînes de production existantes.
Rétrofit de véhicules hydrogène en France : que dit la réglementation ?
Officiellement autorisé depuis mars 2020 [3], le rétrofit est encadré par une réglementation stricte en France. Et pour cause : convertir un véhicule ne s’improvise pas. Sécurité, performance, durabilité… L’État a défini des règles claires pour garantir la fiabilité des conversions.
Quels véhicules peuvent être rétrofités ?
Tous les véhicules ne sont pas éligibles. Pour bénéficier d’un rétrofit, il faut que :
- Le véhicule ait plus de 5 ans
- Qu’il s’agisse d’un véhicule particulier, utilitaire, poids lourd, bus ou d’un engin spécifique.
Homologation : un passage obligé
Chaque conversion doit faire l’objet d’une homologation officielle, délivrée par les autorités compétentes. Cette validation permet de s’assurer que :
- Le véhicule reste sûr à l’usage ;
- Ses performances sont stables et conformes aux normes en vigueur.
L’homologation est souvent délivrée modèle par modèle, après une série de tests rigoureux.
Des règles techniques à respecter
Pour être homologué, un véhicule rétrofité doit répondre à plusieurs critères techniques :
- Puissance : elle doit être comprise entre 65 % et 100 % de la puissance d’origine ;
- Répartition des masses : elle ne peut pas varier de plus de 10 % par essieu ;
Poids total : il doit rester dans une marge de +20 % par rapport au véhicule d’origine.
En conclusion, le moteur hydrogène, sous ses deux formes – pile à combustible ou combustion interne – constitue une des solutions pertinentes pour décarboner la mobilité lourde et intensive, en particulier dans les secteurs professionnels ou de transport de passagers.
Que vous soyez un acteur industriel, une collectivité ou une entreprise de transport, le choix de la technologie hydrogène dépendra de vos usages, et de votre budget.
[1] Source Connaissance des Energies – Hydrogène dans les transport
[2] IFPEN – étude TRANPLHYN
[3] Légifrance – Arrêté du 13 mars 2020 relatif aux conditions de transformation des véhicules à motorisation thermique en motorisation électrique à batterie ou à pile à combustible
