APPLICATIONS DE LA PILE À COMBUSTIBLE ET DE L HYDROGÈNE DANS LE TRANSPORT AUTOMOBILE
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- Rémi Perrot
- il y a 8 ans
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1 Mémento de l Hydrogène FICHE 9.1 APPLICATIONS DE LA PILE À COMBUSTIBLE ET DE L HYDROGÈNE DANS LE TRANSPORT AUTOMOBILE Sommaire 1. Les tendances d'évolution du transport automobile 2. Les véhicules électriques 3. L'architecture d'un véhicule à pile à combustible 4. Systèmes de tractions 5. Véhicules électriques à prolongateur d autonomie (Range Extender) à pile à combustible 6. Systèmes auxiliaires de production d'électricité 7. L'alimentation en hydrogène 8. Conclusions 1. Les tendances d évolution du transport automobile Il existe trois grandes familles de véhicules selon leur utilisation principale : - transport en commun, - transport utilitaire, - transport individuel. Pour chacune on va trouver des spécificités en termes de puissance de la chaîne de traction, de puissance des auxiliaires, d autonomie du véhicule, de cycle d utilisation, de durée de vie, et de coût d entretien. La préparation des futurs systèmes de production d énergie embarqués dans les véhicules pousse aujourd hui l ensemble des constructeurs automobiles mondiaux à s investir dans la recherche sur les piles à combustible et l hydrogène. Ces systèmes devraient permettre de répondre, à long terme, d'une part aux besoins énergétiques de la traction et des auxiliaires et d'autre part aux contraintes écologiques de moindre pollution. Les technologies du futur devront satisfaire plusieurs tendances lourdes qui n iront qu en s amplifiant pour le transport : - préservation de l environnement par l application de nouvelles normes européennes concernant les polluants locaux (SO2, NOx, CO, composés volatils, particules ) - amélioration de l efficacité énergétique des motorisations du réservoir aux roues (tank-towheels) - diversification des approvisionnements énergétiques en fonction des caractéristiques d utilisation majeure des véhicules. 2. Les véhicules électriques Les chaînes de traction électrique possèdent le rendement énergétique le plus élevé des systèmes de traction, un couple élevé dans l ensemble de la plage d utilisation et aucune pollution induite. C'est sur ce constat que, dès 1899, la «Jamais Contente», (figure 1) équipée d accumulateurs Fulmen et pilotée par Camille Jenatzy, avait atteint la vitesse record, pour l époque, de 105,8 km/h. Mais le développement de ce type de véhicule électrique fut ensuite freiné par la grande difficulté de stocker l'énergie électrique. Il sera abandonné dès 1909 au profit du moteur à essence, les batteries de puissance ne permettant pas de satisfaire le cahier des charges de véhicules commercialisables, en termes d autonomie, masse, volume, coût et fiabilité. 1/8
2 Figure 1 - La «Jamais Contente» (1899) Dès la fin des années 60, les scientifiques proposent alors de contourner ce problème de stockage d électricité dans les batteries par l utilisation de piles à combustible, alors en cours de développement pour des applications spatiales : ces piles utilisent l hydrogène comme carburant et l oxygène de l air comme comburant : elles génèrent de l électricité, de l eau et de la chaleur. Ainsi, dès 1967, la société Union Carbide, qui développait des piles à combustible alcalines, équipe un véhicule de General Motors (Electrovan) avec une pile de 5 kw, et en 1970, K. Kordesh équipe une Austin A-40 (figure 2) avec le même type de pile (6 kw) alimentée par un réservoir d hydrogène sous pression, placé sur le toit et contenant 2 kg d hydrogène; ce véhicule a parcouru près de km pendant les 3 années qu a duré cette expérimentation. Figure 2 Le prototype Austin A-40 (1967) Mais la technologie "alcaline" n était pas très adaptée au transport, car trop sensible au CO2 contenu dans l air. C est en 1991 que l American Academy of Science (R.E. Billings) relance cette filière en mettant en œuvre la technologie "acide", avec l utilisation d une pile de type PEM, dont il équipe le prototype LaserCel1 sur une base Ford Fiesta (figure 3). La pile de 14 kw qui l équipait, conçue autour d une membrane électrolyte Asahi Chemical, était hybridée avec une batterie au plomb et était alimentée en hydrogène stocké dans un hydrure métallique. Ce prototype a été suivi de nombreux autres : Green Car (Energy Partners en 1993), Necar 1 (DaimlerChrysler en 1994), RAV 4 (Toyota en 1996), Chevy Van (GM en 1998), Fever (Renault en 1998), pour les premiers, puis par des centaines d autres, produits par la majorité des constructeurs automobiles mondiaux. 2/8
3 Figure 3 - Prototype Ford LaserCel1 de l American Academy of Science (1991) Le développement des véhicules à pile à combustible, bien qu encouragé par l excellent rendement de ce convertisseur et par l absence de pollution locale, a longtemps été freiné, entre autres facteurs, par le fait que l hydrogène ne se stocke pas facilement à bord d'un véhicule et qu il existait peu de capacités industrielles de production et de distribution dédiées à ce nouveau carburant. Afin de contourner cette difficulté, des développements ont été menés, à l'origine, pour le produire directement à bord, via un reformeur alimenté par un hydrocarbure ou un alcool ; mais le véhicule embarque alors un sous-système supplémentaire, lourd, complexe et coûteux qui, de plus, produit du CO2. La comparaison des performances des divers types de propulsion évoqués est donnée dans le tableau suivant : Type de propulsion Rendement du réservoir aux roues (cycle européen NEDC) Moteur à combustion interne Hybride à moteur à combustion interne Pile à combustible + reformeur embarqué Pile à combustible + hydrogène embarqué Moteur électrique + batteries % Mais la situation a évolué très favorablement ces dernières années, tant sous l'impulsion de pays industrialisés qui abritent des constructeurs ayant de gros moyens financiers (Japon, Corée du Sud, Etats-Unis et Allemagne en particulier) que de la Commission Européenne. 3. L architecture d un véhicule à pile à combustible Un véhicule à pile à combustible est essentiellement conçu autour des composants suivants (figure 4) : - Un stockage d hydrogène sous pression, sous 700 bars pour les véhicules légers les plus récents et 350 bars pour les bus. - Une pile à combustible, aujourd'hui de type PEM, - Un système de stockage d électricité fonctionnant en parallèle avec la pile (batterie ou super capacités), 3/8
4 - Un moteur électrique entrainant les roues, - Un compresseur d air (les piles fonctionnent avec de l air à une pression comprise entre 1,2 et 3 bars absolus), - Des échangeurs de chaleurs et un radiateur pour évacuer la chaleur produite par la pile, - Divers composants spécifiques : pompes, capteurs, séparateurs, convertisseur de courant, contrôle-commande Figure 4 - Schéma général d un véhicule à pile à combustible - Source Renault PSA La qualité, la fiabilité, les coûts de ces composants seront évidemment des facteurs clés d une introduction plus ou moins rapide de ce type de véhicule. Leur arrangement dans un véhicule léger est montré sur la figure ci-dessous (figure 5). Ils sont intégrés au châssis pour augmenter la compacité et abaisser le centre de gravité. On voit, de la droite vers la gauche : les deux réservoirs d hydrogène (en rouge), les batteries, la pile à combustible au centre, le moteur électrique et divers composants, à l avant du véhicule, et enfin le radiateur. Figure 5 L arrangement des composants sur le véhicule Honda FCX 4/8
5 Dans le cas d'un bus, la contrainte d'un plancher bas et la moindre importance de la position du centre de gravité, a conduit les concepteurs à mettre la plus grande partie des composants sur le toit (cf. Fig. 6). Figure 6 - Vue schématique d'un bus Daimler Citaro 4. Systèmes de traction Un système de traction à hydrogène peut se concevoir autour de deux technologies: la pile à combustible ou le moteur thermique. Pile à combustible Elle prend en charge tout ou partie des besoins de traction du véhicule et délivre une puissance maximum qui peut varier de 5 à 100 kw pour les véhicules légers (figure 7) et de 150 à 250 kw pour certains bus. L'hybridation s'est maintenant généralisée (en montage dit "parallèle") et a recours à une batterie de puissance (NiMH ou Li-ion) ou à une super-capacité (Mazda, Suzuki, Michelin pour les modèles récents), d une part pour récupérer une part de l énergie perdue au freinage et d autre part pour satisfaire les demandes transitoires de puissance. La consommation d'hydrogène descend jusqu'à 0,8 kg/100 km pour les véhicules légers les plus performants et environ 10 kg/100 km pour les bus. Les quantités d'hydrogène embarquées donnent une autonomie de 500 à 600 km pour les véhicules légers et de l'ordre de 300 km pour les bus. Figure 7 - Toyota FCV 5/8
6 Moteur thermique La traction est alors conçue autour d'un moteur thermique traditionnel (moteur à pistons à mouvement alternatif ou rotatif) alimenté en hydrogène. C'est un concept qui a séduit des constructeurs jusqu'au début des années 2000: BMW, le précurseur, et Mazda en particulier pour les véhicules légers, FORD et MAN pour les bus. Ils ont été développés à une époque où des incertitudes régnaient encore sur la faisabilité à moyen terme (surtout économique) d'un véhicule à pile à combustible et où un concept de moteur thermique basé sur une technologie maitrisée pouvait avoir un sens. Depuis, les performances moyennes, la fiabilité limitée de ce moteur à hydrogène ajoutée à des rejets nocifs (NOx, en particulier) difficiles à éliminer, comparés aux progrès des chaines de traction à pile à combustible, ont définitivement tourné la page de ce concept thermique. 5. Véhicules électriques à prolongateur d autonomie (Range Extender) à pile à combustible Dans ce type de véhicule le moteur électrique de traction n est alimenté que par des batteries. Ces batteries sont alors rechargées, quand il est nécessaire, par une pile à combustible de faible puissance (5-20 kw). Ce montage est parfois appelé «montage série» par opposition au système précédent (appelé aussi «montage parallèle») où l énergie électrique alimentant le moteur de traction est fournie soit par la pile à combustible, soit par les batteries ou soit par les deux en parallèle. Les véhicules de type Range Extender (ou à prolongateur d autonomie) apportent aux véhicules électriques classiques effectuant des trajets urbains ou périurbains, des performances accrues en terme d autonomie. Ils prolongent utilement l autonomie des véhicules électriques traditionnels qui est trop faible (généralement de l ordre de 60 à 80 km) pour la porter à km. Le carburant utilisé pour la pile est de l hydrogène stocké à bord, dans des bouteilles. S'ajoute aussi un facteur de sécurité important pour l'acceptabilité sociale: celui de ne pas tomber en panne de batterie! Le modèle le plus représentatif de cette filière (cf Fig. 8), après son frère ainé qu'a été le prototype Taxi PSA, est le véhicule électrique Renault Kangoo ZE modifié par la start-up française Symbio FCell 1 qui y a ajouté un kit de recharge constitué d'une pile PEM de 5 kw. Il a été baptisé Kangoo ZE H2. Le véhicule embarque 1,8 kg d'hydrogène sous 350 bars. Le surcoût actuel est élevé ( ) compte tenu d'une fabrication à l'unité mais devrait baisser d'un facteur 2 pour quelques milliers d'exemplaires. Il a été retenu dans deux projets: - le projet MOBILHyTEst 1, lancé en Dans ce cadre, La Poste exploite 3 exemplaires à Dole (Jura) et à Luxeuil-les-Bains (Haute-Saône), - le projet FEDER HyWay qui va exploiter 50 exemplaires en Rhône-Alpes (Lyon - Grenoble), à partir de la fin 2014, sur une période de 18 mois. Figure 8 - La Kangoo ZE H2 de Symbio FCell 1 6/8
7 Dans le même esprit, la société danoise PowerCell a démarré, en octobre 2014, le développement d'un prolongateur d'autonomie pour véhicule électrique, dans le cadre d'un projet européen ERA-NET. 6. Systèmes auxiliaires de production d électricité (APU) 2 La demande en électricité dans les véhicules est en augmentation constante et peut atteindre 5 kwe du fait de la généralisation de divers composants alimentés en énergie électrique (climatisation, chaine Hi-fi, GPS, ordinateurs de bord, ). L installation d un générateur électrique (à pile à combustible) indépendant du système de traction permettrait de produire de l électricité avec un meilleur rendement que celui du moteur à combustion couplé à un alternateur chargeant une batterie. Cela permettrait une fourniture d énergie électrique prolongée lorsque le véhicule est à l arrêt (un avantage pour la climatisation, par exemple). Il répondrait bien aux nouveaux besoins des utilisateurs. La puissance installée devra se situer dans la gamme 5-15 kw selon la nature du véhicule. Un tel générateur pourrait voir le jour sur des véhicules haut de gamme, comme BMW l a déjà démontré sur quelques véhicules à hydrogène de la série 7 ou encore sur des véhicules utilitaires (production de froid pour les transports frigorifiques) ou militaire. La société américaine Delphi 3 a démontré, en 2013, la faisabilité d'un tel auxiliaire d'une puissance unitaire de 2,2 kwe autour d'une pile de type SOFC, à bord d'une flotte expérimentale de 6 camions (cf. Fig. 9). Figure 9 - L'APU Delphi 7. L alimentation en hydrogène La consommation en hydrogène d un véhicule léger varie de 0.8 à 1.2 kg/100 km. Il est donc nécessaire d embarquer entre 2 et 6 kg d hydrogène selon le type de véhicule léger et l utilisation envisagée. Pour un bus, cette masse passe à une trentaine de kg. Plusieurs modes de stockage de l'hydrogène à bord ont été testés dans le passé: - hydrogène cryogénique sous forme liquide (BMW, General Motors, Daimler, Volkswagen), - désorption thermique d'hydrures (AB5, AB2, AB, AB3, ) (General Motors, Toyota), - hydrolyse du borohydrure NaBH4 en présence d'un catalyseur (PSA, Daimler) Ils sont respectivement décrits dans les fiches 4.3 et 4.4. Ils ont tous été progressivement abandonné pour les raisons suivantes: - le stockage cryogénique conduit à une évaporation continue d'hydrogène. Elle peut être limitée en gérant une surpression momentanée, mais cette consommation parasite d'hydrogène génère des problèmes de sécurité et d'utilisation. De plus cette solution est trop encombrante. - l'utilisation d'hydrures conduit à un surpoids excessif compte tenu de leurs capacités insuffisantes de stockage. - l'utilisation du borohydrure de sodium pose de gros problèmes logistiques de régénération du sel, une fois utilisé. 2 APU: Auxiliary Power Unit 3 7/8
8 Si bien qu'aujourd'hui, en 2014, tous les constructeurs ont retenu la solution de l'hydrogène comprimé dans des réservoirs en matériau composite sous une pression de 350 ou 700 bars (35 ou 70 MPa). Une fiche technique du mémento (Fiche 4.2) est consacrée à cette technologie. Les performances actuelles sont les suivantes (cf. Fig. 10): g H2/litre de réservoir et 55 g H2/kg de réservoir. Dans les véhicules légers, la quantité d'hydrogène retenue est généralement stockée dans deux bouteilles (cf. Fig. 5). Dans les bus, cet hydrogène est stocké dans une dizaine de bouteilles sur le toit (cf. Fig. 6). Figure 10 - Réservoir d hydrogène 700 bars Dynetek 8. Conclusions La majorité des acteurs du domaine des transports sont aujourd hui convaincus que les véhicules hybrides à propulsion électrique comportant une pile à combustible, une batterie et un stockage d hydrogène, occuperont à terme une place déterminante dans la production des véhicules automobiles du futur. Des décisions de commercialisation ont déjà été prises chez le coréen Hyundai et le japonais Toyota qui ont annoncés des ventes dès la fin 2014 ou début 2015, tandis que d'autres se positionnent pour la période Compte tenu du coût de ce développement, ils s'associent depuis 2013; ainsi: - Daimler - Ford - Nissan, - BMW - Toyota, - Volkswagen - Suzuki, - Honda - GM Le schéma probable qu'ils ont retenu est à l'image de celui que Toyota avait retenu avec la Prius à partir de 1997: une dizaine d'années de ventes à perte avant de s'imposer sur le marché: des millions de véhicules hybrides Toyota ont déjà été vendus en 2014! Tous les aspects transverses (sécurité, normes, réglementation) sont développés dans les fiches 7.1 à 7.3. Cette situation a récemment permis de casser enfin le syndrome de "la poule et l'œuf" (pas de voiture parce que pas de stations-service et l'inverse) puisque tous les pays industriels ont lancé, dès 2013, des programmes de mise en place de stations-service (voir fiche 4.5.1). Les fiches à donnent des détails sur les programmes des principaux constructeurs automobiles dans le monde, depuis leurs débuts dans cette technologie jusqu à aujourd hui. L'ère de la pile à combustible dans les transports ZEV (Zero Emission Vehicles), utilisée soit comme source principale d'énergie, soit comme source annexe (Range Extender) est définitivement ouverte. 8/8
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