Bus et autocars : En Suisse, le moteur hydrogène pourrait bientôt remplacer le diesel

Il circule actuellement en Suisse environ 3 000 autobus pour les désertes urbaines et 3 000 autocars qui assurent un service sur des lignes régionales. Tous sont équipés de moteurs diesel. Une situation incompatible avec les exigences de la stratégie énergétique 2050 dans les transports publics. L’Office fédéral des transports (OFT) a commandité en 2020 deux études qui apportent une réflexion et des éléments chiffrés pour renouveler cette importante flotte, en employant l’hydrogène en particulier. Leurs résultats viennent d’être communiqués tout récemment.
 
Quels sont les objectifs de la stratégie énergétique 2050 dans les transports publics (STEP) qui doit être appliquée en Suisse ? Une réduction très importante des émissions de CO2, bien sûr, mais aussi l’amélioration de l’efficacité énergétique. Et l’OFT a déjà appelé les entreprises de transport concernées à prendre les mesures qui s’imposent en suivant ces 2 axes. Ce programme ne s’appliquera pas qu’aux autobus et autocars. Ils concernent tous les modes de transport public. Ainsi, également, le ferroviaire, les bateaux et les téléphériques. Deux autres objectifs sont poursuivis, entre les mains des pouvoirs publics du pays : la sortie du nucléaire et le développement des énergies renouvelables.
 

Motorisation thermique à hydrogène

Le premier travail commandité par l’OFT, référencé P-155, s’intitule « Motorisation à l’hydrogène des bus de transport public ». Il visait à qualifier et quantifier les intérêts écologique, économique, technologique et sécuritaire de l’usage d’un moteur thermique alimenté à l’hydrogène dans les transports publics routiers suisses.
 
La solution retenue devait ensuite être comparée à des alternatives (électriques à batterie et pile hydrogène). Parmi les résultats de ce travail dirigé par Laura Andres, le choix d’une architecture. Et c’est un moteur d’origine Fiat Powertrain Technologies, fonctionnant initialement au GNC, qui a été retenu. Il s’agit du bloc C13 CNG, doté d’une cylindrée de 13 litres.
 
Pourquoi avoir sélectionné ce modèle de moteur ? Pour sa polyvalence. Il permettrait déjà de retrouver les performances des Mercedes Citaro articulés 18 mètres exploités par les Transports publics fribourgeois (TPF) qui ont été associés à l’étude. En dehors des 3 000 autocars, ce bloc pourrait également servir à propulser des bateaux, camions et trains. Pour former un car à moteur thermique hydrogène (H2BICE), il serait monté sur une base identifiée chez le constructeur national Hess. La transformation des 3 000 véhicules de transport en commun permettrait de réduire la consommation annuelle de gazole de 55 à 60 millions de litres, et de 150 000 tonnes les émissions de CO2. A noter qu’un bloc thermique modifié H2 accepte de l’hydrogène contenant des impuretés, ce que ne supportent pas les piles à membrane PEMFC.
 

Facilité d’adaptation

Si un moteur GNC a été préféré à un bloc diesel, c’est en particulier parce qu’il est déjà équipé de soupapes et des sièges associés conçus pour un fonctionnement sans lubrification par le carburant. Comme un modèle essence, un moteur au gaz a besoin d’un système d’allumage bougies-bobine dont est dispensé un diesel. Enfin, une injection indirecte a été préférée par les ingénieurs, proche de celle qui est déjà exploitée dans l’architecture GNV.
 
« L’objectif est de disposer d’un moteur fiable fonctionnant à l’hydrogène le plus rapidement possible afin de démarrer les essais en conditions réelles, c’est-à-dire sur des lignes existantes du réseau exploité par les TPF. Ensuite seulement, des technologies plus avancées mais également plus complexes à réaliser et gérer, telles l’injection directe ou encore la préchambre pourront être investiguées et implémentées », justifient les ingénieurs.
 
Avant d’en conclure à la faisabilité de ce scénario, l’équipe de Laura Andres a vérifié la possible intégration des autres composants, parmi lesquels les réservoirs d’hydrogène. « On peut considérer que la structure du toit d’un bus initialement équipé d’un moteur diesel pourra a priori supporter les réservoirs d’hydrogène sans grosse modification », peut-on lire dans le rapport. D’où vient une telle assurance ? Du fait que de nombreux modèles gavés au gazole se déclinent en versions GNV, avec les bouteilles déjà installées en toiture. Ainsi les Mercedes Citaro NGT, Volvo 7900 CNG, Iveco Urbanway CNG, etc. Toutefois, les ingénieurs embarqués dans l’étude se sont assurés que le système de carrosserie modulaire utilisé par Hess pour ses autobus peut accepter une charge conséquente sur son toit. Le travail effectué a permis de mettre au jour que la réalisation d’une telle conversion est possible, tant sur le plan technique que sécuritaire.
 

Economiquement très concurrentiel

Les rédacteurs de l’étude estiment que leur solution est également « économiquement très concurrentiel par rapport aux technologies neutres en CO2 connues à ce jour ». Ils chiffrent « un TCO inférieur de 26 % par rapport aux véhicules à pile à combustible et inférieur de 34 % par rapport aux véhicules à batterie pour des trajets extra-urbains à l’horizon 2050 ».
 
S’ils ont écarté l’architecture électrique à pile hydrogène (FCEB), c’est aussi car elle exigerait, selon eux, une double infrastructure de ravitaillement en énergie : borne de recharge + distributeur d’hydrogène. Pour les lignes régionales, les modèles électriques à batterie (BEB) ont été évincés des lignes régionales pour leur manque d’autonomie.
 

Comparaisons

D’après les calculs des rédacteurs du rapport, un autocar modifié H2BICE coûterait aujourd’hui 700 000 francs suisses (1 CHF = 0,98 euro), contre 1 300 000 CHF pour un modèle à pile hydrogène.
 
Sur une période de 10 ans, les TCO respectifs seraient de 2,670 et 3,290 millions de CHF selon la situation actuelle, et de 2,010 et 2,720 millions de CHF avec une projection en 2050. Et ce, avec l’hypothèse que le prix du kilo d’hydrogène baisserait sur la période de 10,60 à 5 CHF. Pour les autobus à usage urbain, l’électrique a été ajouté (850 000 CHF), tandis que le bus H2BICE recevrait un système d'hybridation, augmentant son prix à 800 000 CHF.
 
Les TCO à 10 ans s’élèveraient à 2,765 millions de CHF pour le H2BICE, 3,290 millions de CHF avec le FCEB, et 2,100 millions de CHF en choisissant un BEB. Les meilleurs chiffres du bus électrique à batterie expliquent que seuls les autocars, et non les autobus, sont pressentis pour un passage au moteur thermique hydrogène. En revanche, pour 2050, les réalisateurs de l’étude prévoient la parité à 2,100 millions de CHF pour les BEB et H2BICE, face à un bus FCEB revenant plus cher : 2,490 millions de CHF.


 

L’électrique à batterie confirmé pour les autobus

Référencée P-199, intitulée « Etude du potentiel de l’hydrogène dans les transports publics », et dirigée par Andreas Hutter, la seconde étude semble également ouvrir la voie à l’électrique à batterie pour les transports urbains. Mais elle confirme les autocars à hydrogène pour les lignes régionales. Sans cependant se positionner clairement sur l’architecture : H2BICE ou FCEB ? « Les bus à hydrogène représenteront, au moins à court terme, la seule alternative au remplacement des bus diesel pour une grande partie des quelque 3 000 bus utilisés dans le transport régional de personnes », peut-on lire sur le document qui présente les premiers résultats.
 
Les rédacteurs soulignent toutefois que « Le FCEB est toujours un peu plus efficace que le HICEB ». Ils indiquent un rendement de 44 % pour le bus à pile à combustible, contre 36-43 % pour celui à moteur thermique H2, 33-40 % pour le diesel, mais 73 % pour l’électrique à batterie.
 
Toutefois, il est nécessaire d’opter pour une capacité énergétique au moins 20 % supérieure aux besoins, pour compenser l’usure de la batterie des bus électriques. Ces derniers sont aussi plus lourds : 14,6 tonnes, contre 14,4 t pour le FCEB, et 12,6 t pour le diesel et le H2BICE. Ils nécessitent aussi une puissance plus importante (5 kW) pour alimenter les auxiliaires (4 kW pour le FCEB, 3 kW pour le H2BICE, 2 kW pour le diesel). L’équipe d’Andreas Hutter prévient tout de même que les bus à piles à combustible auront besoin de plusieurs remplacements de piles à combustible au cours de leur durée de vie. Les autocars et autobus sont conservés en moyenne 10 ans en Suisse, pour un kilométrage cumulé individuel de l’ordre de 70 000 km. Les auteurs de l’étude chiffrent entre 20 000 et 30 000 heures la durabilité d’une PAC H2.
 

Des besoins énergétiques quantifiés

Pour remplacer les 6 000 véhicules diesel, les rédacteurs estiment qu’il faudrait mettre en place 2 centrales d’une puissance de l’ordre de 225 MW.
 
La première permettrait de fournir les 0,66 TWh d’énergie nécessaire annuellement à la recharge nocturne des autobus électriques desservant les lignes urbaines.
 
Pour le réseau régional, les besoins en énergie seraient de 2,03 TWh. L’ hydrogène vert serait obtenu par électrolyse PEM de l’eau. Cette précision pourrait laisser supposer que l’équipe d’Andreas Hutter a fait le choix de la solution FCEB qui nécessite un produit de grande pureté, face au modèle H2BICE moins sensible. Pour comparaison, les 6 000 bus diesel existants exigeaient 3 TWh par an d’énergie primaire.
 
 
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