Tout d’abord, qu’il s’agisse de l’énergie hydrogène ou de l’énergie lithium, il s’agit de solutions de stockage d’énergie. Elles ne font que stocker l’énergie verte (solaire, éolienne, etc.) ou les énergies fossiles ; ce ne sont pas des « nouvelles sources d’énergie ».

Pourquoi l’hydrogène et le lithium

Selon le tableau périodique, hydrogène-hélium-lithium-béryllium-bore ou hydrogène-lithium-sodium-potassium-rubidium-césium-francium pourraient convenir aux batteries. Alors pourquoi les batteries au lithium ou les piles à combustible à hydrogène sont-elles devenues célèbres ?
Hélium, béryllium, bore, sodium, potassium, rubidium, césium et francium ne conviennent pas, car ils ne possèdent pas les propriétés chimiques nécessaires pour générer une charge électrique via une réaction avec un électrolyte ; certains sont trop peu réactifs, d’autres trop réactifs et combustibles. En revanche, l’hydrogène et le lithium présentent les caractéristiques idéales : l’hydrogène produit de l’électricité dans une pile à combustible, tandis que le lithium est très réactif et transfère facilement des électrons, d’où son usage dans les batteries lithium-ion.

periodic table
tableau périodique (Source : https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)

Quels sont les avantages et les inconvénients de l’utilisation de l’hydrogène et du lithium pour le stockage d’énergie ?

Hydrogène

Avantages

  • L’hydrogène présente une densité énergétique supérieure à celle des batteries ; il peut donc stocker plus d’énergie par unité de masse.
  • Il peut être produit à partir de nombreuses sources, y compris renouvelables, ce qui en fait une option potentiellement plus durable.
  • Il peut alimenter des véhicules à pile à combustible, offrant un mode de transport propre.
  • À grande échelle, le stockage d’hydrogène offre des coûts inférieurs à ceux des batteries lithium.

Inconvénients

  • Sa production et son stockage restent plus coûteux que pour les batteries lithium-ion.
  • Le stockage exige des réservoirs haute pression ou cryogéniques, coûteux et complexes.
  • La production et le transport nécessitent d’importantes infrastructures.
  • Le gaz hydrogène cause la fragilisation des matériaux ; les réservoirs doivent donc répondre à des normes de sécurité strictes.

Lithium

Avantages

  • Les batteries lithium-ion sont plus légères et compactes que les systèmes de stockage d’hydrogène.
  • Technologie mûre avec une chaîne d’approvisionnement et une infrastructure de production bien établies.
  • Elles offrent un rendement aller-retour supérieur aux systèmes de stockage d’hydrogène.

Inconvénients

  • Durée de vie limitée ; les performances se dégradent au fil du temps.
  • Risque d’emballement thermique et d’incendie en cas de dommage ou de mauvais entretien.
  • Matériaux à ressources limitées ; impact environnemental potentiellement plus élevé que l’hydrogène.
  • À basse température, la viscosité de l’électrolyte augmente ; la polarisation s’accentue et la capacité chute fortement.

Pouvoir calorifique

Calorific value
Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique de l’hydrogène est le plus élevé parmi les combustibles courants : 142 kJ/g, soit ~3 fois celui du pétrole et 4,5 fois celui du charbon. Converti en batterie, cela donnerait une densité énergétique d’environ 40 kWh/kg, bien supérieure aux ~0,25 kWh/kg des batteries lithium-ion classiques et aux ~12 kWh/kg des carburants liquides.

Quel est l’impact environnemental de la production d’hydrogène et de lithium ?

Production de lithium :

  • L’extraction et le traitement du lithium sollicitent fortement les ressources en eau dans les régions arides où se trouvent la plupart des gisements.
  • Le traitement du minerai peut libérer des substances chimiques toxiques dans l’environnement.
  • L’ouverture de mines de lithium entraîne la dégradation des sols et la destruction d’habitats.
  • La source d’électricité utilisée pour le lithium dépend du mix énergétique local.
Shares of primary energy in Rapid
Part des énergies primaires — scénario Rapid

Production d’hydrogène :

  • La majorité de l’hydrogène est aujourd’hui produite à partir de combustibles fossiles, générant GES et pollution.
  • La production d’hydrogène par électrolyse est énergivore ; si l’électricité n’est pas renouvelable, les émissions augmentent.
  • Le couplage d’énergies renouvelables (éolien, PV) à l’électrolyse de l’eau produit de l’hydrogène vert, assurant un cycle de vie bas carbone.

Quelles sont les applications potentielles de l’hydrogène et du lithium dans le secteur des transports ?

L’hydrogène peut servir de carburant pour les véhicules à pile à combustible : il réagit avec l’oxygène pour produire l’électricité alimentant le moteur électrique. Il n’émet que de l’eau et peut être issu de sources renouvelables.
Les véhicules à pile à combustible conviennent mieux aux usages commerciaux (camions, bus, etc.).

  1. Le nombre de stations-service hydrogène reste insuffisant pour un usage grand public.
  2. Les itinéraires des véhicules commerciaux sont généralement fixes.
  3. Le plein d’hydrogène ne prend que 3–5 minutes pour ~850 km d’autonomie.
  4. Exemple : les entrepôts Amazon utilisent des chariots élévateurs à pile à combustible, réduisant émissions et temps de recharge.

Le lithium est l’élément clé des batteries alimentant les véhicules électriques (VE). Grâce à leur densité énergétique élevée et à leur longue durée de vie, les batteries lithium-ion équipent aujourd’hui les VE, les hybrides rechargeables (PHEV) et les BEV.
Pourquoi ces batteries ne conviennent-elles pas encore aux véhicules utilitaires lourds ? Prenons un exemple concret : la batterie d’un Model 3 pèse environ 800 kg et offre ~450 km sur le papier, soit ~400 km réels. Pour un fourgon électrique de 2,5 t, l’autonomie n’est que de 190 km ; sur un porteur de 9,6 m (PTAC 19 t dont 7 t à vide), il resterait 12 t de charge utile, mais l’autonomie plafonne à 190 km. Pour atteindre 500 km (seuil de base), il faudrait ajouter ~3 t de batteries, réduisant d’autant la charge utile et faisant exploser les coûts.
On propose donc d’installer des stations d’échange de batteries le long des routes ; cependant, l’infrastructure de ces stations est très similaire à celle d’une station-service, et il est encore difficile qu’un géant industriel investisse pour la mettre en place à grande échelle. Par conséquent, les camions 100 % électriques à batterie restent peu pratiques à court terme.
La densité énergétique actuelle (~220 Wh/kg) devra atteindre ~500 Wh/kg avec des batteries semi-solides ou solides pour rendre viables les poids lourds électriques ; on n’en voit guère la possibilité avant au moins cinq ans.