Hydrogène et pile à combustible

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1 Les cahiers des burants et motorisations alternatifs février 2011 cahier 3

2 L hydrogène est naturellement présent sur Terre mais pas à l état natif. Sa production nécessite l utilisation de quantités importantes d énergie ou de chaleur. 50 Mt sont actuellement produites chaque année dans le monde. L hydrogène présente par ailleurs de nombreuses qualités : il est non toxique et son utilisation dans les piles n entraîne que l émission de vapeur d eau et la production d électricité. A Etat de l art Les fabricants de voitures développent des véhicules utilisant de l hydrogène liquide ou gazeux. L hydrogène liquide (qui est très difficilement stockable) renferme plus d énergie par unité de masse et assure donc une plus grande autonomie. L hydrogène gazeux doit être stocké à 700 bar dans des réservoirs en acier inoxydable. Trois grandes voies de production de l hydrogène existent : la voie thermique (gazéification) qui consiste à extraire l hydrogène de différentes ressources naturelles (gaz naturel, charbon, eau, biomasse) en utilisant des températures élevées. Le procédé de fabrication peut s accompagner, selon la matière première utilisée, de certaines émissions polluantes, en particulier de gaz à effet de serre. la voie électro-chimique (électrolyse). C est l eau qui est utilisée dans un procédé inverse de la pile. Selon la nature renouvelable (éolien, solaire, hydro-électrique) de l électricité utilisée l extraction de l hydrogène de l eau s accompagne (avec le gaz naturel ou le charbon) ou non d émissions polluantes. la voie biologique utilise de l eau ou de la biomasse décomposée sous l effet de la lumière ou de la chaleur. Cette voie nécessite des distances de transport de la biomasse pas trop grandes du fait de la faible teneur en énergie de la biomasse en comparaison de sa masse et de son volume. La production d hydrogène liquide n est pas adaptée à petite échelle du fait d une très faible efficacité à cette taille. L hydrogène liquide est donc produit sur un site de grande dimension et transporté par camion. L hydrogène gazeux (compressé à 700 bar) assure aux véhicules une autonomie d environ 600 km (BMWA 2005). L hydrogène gazeux peut être disponible aussi bien sur le site lui-même que transporté depuis un site de production. Le transport par pipeline est le mode de transport le plus efficace pour des grands volumes. B Approche économique de l hydrogène L hydrogène est très largement considéré comme l une des sources d énergie à venir la moins polluante et la plus novatrice. L hydrogène peut en effet être produit aussi bien grâce à de l énergie fossile, renouvelable ou nucléaire. Il est possible de produire l hydrogène aussi bien sur place (ce qui évite le transport) que dans de grands sites dédiés qui bénéficient alors des économies d échelle. Actuellement l essentiel de l hydrogène est produit par voie thermique sur du gaz naturel (c est la solution la moins onéreuse). A terme l utilisation des énergies renouvelables garantira l impact environnemental le plus faible. Tableau 7 : Comparaison du coût de production de l hydrogène H2-RES_LS H2-RES_SS H2_NG EUMIX_E_LS H2_NG EUMIX_E_SS H2_NG EUMIX_LS H2_NG EUMIX_SS H2_NG Russia_LS H2_NG Russia_SS LS : grande échelle SS : petite échelle RES : énergie renouvelable NG EUMIX : gaz naturel Coûts de la matière première Coûts d investissement Coûts de fonctionnement Source : Altermotive 2010 Les cahiers des burants et motorisations alternatifs - fév

3 Le prix de l hydrogène varie ainsi selon la nature de l énergie utilisée, le procédé, l échelle de production utilisée, de 3 à 11 c /kwh (source Altermotive 2010). Les valeurs actuellement les plus élevées sont obtenues avec de l énergie renouvelable et les plus faibles par la voie thermique à grande échelle sur du gaz naturel. C est la nature de l énergie primaire utilisée qui explique l essentiel du coût de production de l hydrogène (elle représente de 55 à 84 % du coût) mais également la dimension de production selon le procédé retenu. C Approche ENVIRONNEMENTALE de l hydrogène L étude CONCAWE considère le cas d une production locale d hydrogène (sur le site de la station de distribution). L option d une utilisation de gaz compressé est privilégiée du fait du coût réduit de transport du gaz utilisé pour la production d hydrogène. Tableau 8 : Émissions de GES (en g CO 2 eq/mj) de la production d hydrogène depuis le puits jusqu au réservoir (WTT) à partir d énergie fossile Extraction du gaz naturel 4,9 Transport du gaz naturel 2,8 Distribution du gaz naturel 0,9 Production sur site de l H2 86,6 Compression 10,0 TOTAL émissions GES 105,2 L hydrogène peut également être produit à partir de n importe quelle source d électricité (à petite ou grande échelle). Depuis un gros site de production, il peut être transporté par pipeline jusqu à la station ou compressé ou liquéfié et transporté par route. L option retenue ci-dessous par CONCAWE est la production d électricité éolienne offshore. Tableau 9 : Émissions de GES (en g CO 2 eq/mj) de la production d hydrogène depuis le puits jusqu au réservoir (WTT) à partir d énergie renouvelable Électricité éolienne offshore 0 Distribution d électricité 0 Électrolyse 0 Distribution hydrogène et compression 9,1 D Potentiels d amélioration technique Les potentiels d amélioration en vue d une utilisation banalisée de l hydrogène comme burant pour les véhicules particuliers sont énormes : en matière de production pour passer progressivement d une utilisation d énergie fossile aux énergies renouvelables en matière de distribution pour permettre un accès dans des réseaux régionaux en matière de stockage ou de conversion pour atteindre des technologies permettant une production de masse On estime que les véhicules particuliers ne pourront sans doute pas bénéficier de ces innovations avant Les cahiers des burants et motorisations alternatifs - fév

4 Pile A Etat de l art B La production en Europe La pile utilise le principe inverse de l électrolyse en utilisant de l hydrogène et l oxygène pour produire de l électricité qui sera nécessaire à un véhicule par exemple. La pile ne rejette donc que de l eau sous forme de vapeur. Des voitures existent ainsi déjà sur le marché qui sont équipées d une pile alimentée par de l hydrogène et d un moteur électrique (Mercedes Benz B Class F.Cell), d un moteur thermique alimenté au choix directement soit par de l essence ou de l hydrogène (biburation) ou un véhicule hybride disposant à la fois d un moteur thermique et d un moteur électrique alimenté par une pile à hydrogène (Honda FCX Clarity, Chevrolet Equinox). Figure 5 : Exemple de différents types de motorisations à base d hydrogène et de piles H2 H2 et Essence H2 Essence pile à combustible électricité moteur électrique moteur thermique (biburation) pile à combustible électricité moteur électrique moteur thermique } hybride Plusieurs fabricants automobiles sont déjà impliqués dans le développement de véhicules à piles alimentées par de l hydrogène. Tableau 10 : Liste de véhicules alimentés par de l hydrogène Fabricant Nom du automobile véhicule Daimler Chrysler PILE À COMBUSTIBLE À HYDROGÈNE GAZEUX Type de véhicule Ne 4 Passenger Toyota FCHV5 Passenger Ford Honda Daimler Chrysler THINK FC5 Passenger FCX V4 Passenger Light duty Sprinter vehicle Stockage Puissance Autonomie de l énergie Vitesse 2.5 kg 35 Mpa 35 l 50 Mpa 75 kw 200 km 145 km/h 90 kw 500 km 35 Mpa 75 kw 128 km/h 130 l 35 Mpa 60 kw 300 km 140 km/h 35 Mpa 55 kw 150 km 120 km/h Toyota Hino Bus Bus 25 Mpa 180 kw 300 km 80 km/h Daimler Chrysler Opel Citaro Bus 35 Mpa 250 kw 300 km 80 km/h Bus PILE À COMBUSTIBLE À HYDROGÈNE LIQUIDE Hydro- Gen3 Passenger 4.8 kg 75 kw 650 km 180 km/h Renault Laguna Passenger 30 kw 300 km MAN / SL 202 Bus 600 l 140 kw 300 km 75 km/h Linde Source : Altermotive 2010 Les cahiers des burants et motorisations alternatifs - fév

5 C Approche économique D Potentiels d amélioration technique Une approche du coût est très difficile étant donné le très faible nombre de véhicules circulant à l hydrogène ou utilisant une pile à combustible. À l heure actuelle le coût de ces véhicules est donc très élevé par rapport aux véhicules conventionnels. D ores et déjà les coûts ont considérablement baissé (près de 70 %) depuis Selon la plupart des observateurs, les piles devraient entrer dans leur phase de maturité technique à partir de Les actions de Recherche et Développement visent à améliorer l efficacité des piles et leur durabilité, la mise au point de matériels légers et réduire les coûts de fabrication. Si les piles sont déjà utilisées dans des véhicules leur coût reste prohibitif avec environ à /kw. Les objectifs à court terme sont : l augmentation de l autonomie au dessus de 400 km la réduction des coûts en dessous de 100 /kw. Le tableau ci-dessous résume les principaux points attendus d amélioration des piles. Tableau 11 : Liste des points d amélioration attendus des piles Amélioration de la membrane électrolyte Amélioration de l électrode Amélioration de la couche de diffusion du gaz (GDL) Amélioration des plaques bipolaires Amélioration des joints d étanchéité Membranes avec de faibles coûts de matières premières, amélioration de la conductivité stabilité mécanique/chimique/thermique au dessus de la température maximale (120 C) et taux d humidité (en dessous de 10 %) Mise au point d électro-catalyses avec réduction de la charge de métal précieux, durée de vie accrue, stabilité, risque de corrosion réduit, tolérance à l air et aussi impuretés du burant accrue Performance accrue et gestion de l eau en optimisant les propriétés de la GDL (conductivité et hydrophobicité), amélioration de l enduit de la couche de diffusion du gaz Poids et volume réduits des plaques bipolaires, design moins onéreux, échelle de fabrication Mettre au point des joints d étanchéité permettant une diminution des fuites et une meilleure tolérance à la température et à l humidité de la pile Source : Altermotive 2010 Les cahiers des burants et motorisations alternatifs - fév

6 Moteurs à combustion (directement) alimentés par hydrogène A Etat de l art Comme on l a vu précédemment, il existe donc deux types de véhicules utilisant de l hydrogène : des véhicules électriques alimentés par une pile utilisant elle-même de l hydrogène des véhicules à moteur à combustion interne directement alimentés par de l hydrogène gazeux. La disponibilité de l hydrogène rend l hypothèse d une mise sur le marché de véhicules de ce type vraisemblable dans un délai plus court que les véhicules utilisant une pile. C est d ores et déjà le cas par exemple de la MAZDA RX 8 ou de la BMW H2R Record qui peut alternativement rouler soit à l essence soit à l hydrogène. Contact : Laurent COGERINO Rhônalpénergie-Environnement 10 rue des Archers LYON Tél Fax : B Approches économiques et environnementales Bien qu un usage de l hydrogène pour alimenter une pile à combustible présente la plus grande efficacité énergétique, une utilisation directe de l hydrogène comme burant existe également pour les moteurs à combustion (avec toutefois un rendement énergétique de moitié moindre par rapport à une pile ). Dans le même temps, le coût d un usage de l hydrogène en burant direct d un moteur à combustion est par contre 3 fois moindre qu une pile. De plus, un autre avantage d un usage de l hydrogène comme burant direct est sa capacité à être utilisé en biburation en alternance avec de l essence, ce qui peut être un avantage tout à fait précieux dans une phase de transition. Pour aller plus loin, vous pouvez également consulter la te recensant 80 expériences remarquables en matière de burants et motorisations alternatifs en Europe à l adresse suivante : Création graphique, mise en page : Mouvement Perpétuel. Crédits photos : Carine Ascher-Seghier & David Ascher (photo-environnement), Jean-Jacques Kissling (photo-environnement), i-stock, 123 RF, X... Les cahiers des burants et motorisations alternatifs - fév