TOYOTA

Histoire de l'automobile au Japon

Marques et modèles

Toyota et l'hydrogène

La Mirai de Toyota est le première automobile fonctionnant à l'hydrogène du constructeur japonais. L'expérience a duré de 2015 à 2020 et a permis de mesurer les pour et les contre d'une telle technologie.

Débutant en compétition avec une Corolla Sport H2 en série Super Taikyu dès 2021, Toyota développe le thème de la voiture de compétition propulsée à l’hydrogène. Une GR Yaris H2 conduite par Akio Toyoda et Juha Kankkunen participe au rallye d’Ypres, en Belgique, en 2022. Un réservoir d’hydrogène gazeux sous haute pression alimente un moteur à combustion interne. La GR Yaris Rally2 H2 Concept apparaît au rallye de Finlande 2025 où elle est développée par Toyota Gazoo Racing World Rally Team (TGR-WRT). On revoit cette auto en démonstration sur le circuit de Monaco en janvier 2026, encore pilotée par Toyoda.

L'hydrogène et le WEC

L’Automobile Club de l'Ouest (ACO) travaille sur la future réglementation d’Hypercars acceptant les moteurs à combustion interne à hydrogène et les piles à combustible. Le programme MissionH24 est une initiative conjointe lancée en 2018 par l'ACO et H24Project. Son but est de servir de « laboratoire roulant » afin de créer, tester et fiabiliser les technologies nécessaires à l'introduction d'une catégorie hydrogène aux 24 Heures du Mans et plus généralement en Championnat du monde d'endurance (World Endurance Championship ou FIA-WEC) à l’horizon 2030.

Un premier prototype LMPH2G roule en 2018. C’est une voiture de course hybride électrique-hydrogène munie d’une pile à combustible et d'un réservoir d'hydrogène gazeux. A l’intérieur de la pile à combustible, l’hydrogène réagit au contact de l’oxygène de l’air et produit de l’électricité qui alimente quatre moteurs électriques assurant une puissance 650 ch. L’accélération 0-100 km/h est effectuée en 3,4 secondes et la vitesse maximum est de 300 km/h.

Elle est suivie en 2021 par la H24, deuxième laboratoire roulant. Celle-ci est testée lors de compétitions réelles et a permis de valider la vitesse des ravitaillements en course et la fiabilité des systèmes complexes.

La troisième étape est fournie par la Toyota H24EVO qui, à la place d’utiliser une pile à combustible alimentant des moteurs électriques, intègre un moteur thermique V6 de 3,5 L adapté par Toyota Racing pour brûler directement l'hydrogène. Les objectifs de performance sont une vitesse de pointe de 340 km/h pour un poids de 1300 kg. L’ambition affichée est de rivaliser directement avec les performances des voitures de la catégorie GT3.

Le constructeur Alpine participe activement aux groupes de travail pour définir les règles communes et partageables. BMW, qui commercialise déjà des technologies de pointe à pile à combustible dans le civil, se dit intéressé à développer une voiture de compétition pour le FIA-WEC.

Toyota, hydrogène et WEC

Toyota se prépare à la future catégorie H2 du WEC en construisant et essayant des prototypes. Le département compétition Gazoo Racing dévoile la GR-H2 Racing Concept en 2023 basé sur un châssis de GR010.

Le moteur à combustion interne est alimenté à l'hydrogène, associé à un système hybride électrique. Cette solution présente une émission sans particule, principalement composée de vapeur d’eau. Les sensations acoustiques et mécaniques sont celle d’un moteur thermique conventionnel.

Toyota développe le projet et un nouveau prototype est dévoilé en 2025, la Toyota GR-LH2 utilise de l’hydrogène liquide. Gazoo Racing devenant Toyota Racing, le prototype TR-LH2 est essayé en marge des 24 Heures du Mans de 2026. A ce moment, aucunes données officielles quant à la puissance, le couple ou la vitesse ne sont divulgués.

Avantages et inconvinents de l'hydrogène

La fabrication industrielle de l’hydrogène se fait principalement en utilisant un combustible fossile traité dans une raffinerie. On peut en créer à base de charbon mais ça pollue, on parle alors d'hydrogène noir. Dans le monde, 95% de l'hydrogène produit provient d'hydrocarbure extrait du sol. Le gaz naturel, composé en grande partie de méthane (CH4) est chauffé à haute température avec de la vapeur d'eau (plus de 700 °C). Le processus permet d'obtenir de l’hydrogène (H2) ainsi que de l’oxyde de carbone (CO2). C'est l'hydrogène gris.

Un autre procédé est électrolyse de l’eau. Il nécessite une forte quantité d’électricité et est plus coûteux. Si l'électricité est dite "verte", c'est à dire provenant de sources renouvelables comme des panneaux photovoltaïques ou d'un barrage, c'est la manière la plus écologique d'obtenir du H2. On se rend compte que la quantité pouvant être produite est très limitée.

Une fois l'hydrogène obtenu sous forme gazeuse (H2), il faut le conservé sous très haute pression, à 700 bars. Il est alors stocké dans des réservoirs de forme cylindrique ou sphérique avec d’épaisses parois au détriment du poids du véhicule. Une pile à combustible met l'hydrogène en contact avec l'air, provoquant un courant électrique qui peut alimenter un moteur électrique.

Le rendement énergétique d'une telle installation est désastreux, de l'ordre de 40% au grand maximum. Il faut dépenser une grande quantité d'électricité pour en récupérer une infime partie dans la voiture.

L’utilisation d’hydrogène liquide plutôt que gazeux présente plusieurs avantages. La densité volumétrique du liquide étant deux fois plus importante que celle du gaz, il est possible d’emporter un réservoir plus petit, mais permettant une autonomie plus importante. Le liquide est gardé à pression ambiante, laissant plus de liberté au choix de la forme du réservoir et permet un ravitaillement plus rapide. En revanche, pour conserver l’hydrogène liquide, il existe un désavantage important puisqu’il est nécessaire de le cryogéniser à -253 °C.

Le carburant est maintenu à l'état liquide dans un réservoir isotherme spécialisé de type aérospatial. La forte isolation thermique est obtenue par une enveloppe à double-paroi sous vide. Toyota exploite la température extrêmement froide de l'hydrogène liquide pour alimenter une pompe à carburant dotée de technologie supraconductrice. Cela permet d'augmenter le rendement de la pompe et de réduire sa consommation électrique sans nécessiter de système de refroidissement externe.

En cours de fonctionnement, l'hydrogène liquide se réchauffe légèrement et se transforme en gaz, évaporation naturelle due à la chaleur extérieure (phénomène de boil-off), nécessitant un système d'auto-pressurisation. Toyota utilise une petite pile à combustible pour réutiliser ce gaz d'évaporation afin de produire de l'électricité pour les auxiliaires ou de le réinjecter dans le circuit, évitant ainsi le rejet pur et simple à l'atmosphère.

La liquéfaction (condensation) du gaz purifié s’obtient par des cycles de compression et de détente successifs dans des installations cryogéniques complexes afin d’abaisser sa température à -253 °C . C'est une opération très énergivore, elle consomme une part importante de l'énergie contenue dans l'hydrogène (30% à 40%).

Les usines de liquéfaction nécessitent des turbines, des échangeurs de chaleur avancés et des métaux capables de résister à des températures proches du zéro absolu. Une unité industrielle classique représente un investissement de plusieurs dizaines de millions d'euros, rentable uniquement sur de très gros volumes. Les réservoirs de stockage du LH2 doivent être ultra-isolés. Malgré cela, une évaporation naturelle (boil-off) de 0,1% à 1% par jour survient, ce qui représente une perte financière continue si le carburant n'est pas utilisé rapidement.

En résumé, le rendement énergétique de l’hydrogène liquide est encore plus misérable que celui du gaz, accompagné d’un coût de fabrication plus élevé.

Le risque sécuritaire est également à prendre en considération. L'hydrogène liquide étant à -253 °C, son contact direct avec des matériaux non adaptés peut les fragiliser ou les fracturer. En contact avec la peau, il provoque de grâves brûlures. Les molécules d'hydrogène sont très fines et de faible viscosité, ce qui facilite les fuites à travers les joints et les conduites, d'où la nécessité de contrôles fréquents. Ensuite, le gaz est extrêmement volatile et se mélangeant à l'air, il devient explosif dans une large proportion de mélange. Une simple étincelle ou l'électricité statique suffit à déclencher une inflammation. La puissance dégagée et contrôlée permet à la fusée Ariane de décoller.

En conclusion, ce qui semble être respectueux de l'environnement sur les circuits est en fait une catastrophe écologique lors de la production du carburant. D'autant plus si l'on considère que l'électricité nécessaire est en grande partie produite en brûlant du pétrole.