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. Véhicules spéciaux 7. Systèmes auxiliaires de production d'électricité (APU) 8. L'alimentation en hydrogène 9. Conclusions 1. Les tendances d évolution du transport automobile Il existe trois grandes familles de véhicules automobiles selon le type de transport : - le transport en commun (les bus) - le transport utilitaire (les camions) - transport individuel (le véhicule léger) Chacune présente 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. Le développement des futurs systèmes de production d énergie embarqués dans les véhicules pousse aujourd hui l ensemble des constructeurs 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, micro et nano particules ) - amélioration de l efficacité énergétique des motorisations du réservoir aux roues (tank-towheels) - diversification des approvisionnements énergétiques en fonction des caractéristiques d utilisation des véhicules et de la disponibilité locale d'énergie, en particulier renouvelable. 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. 1/11
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 et rejettent que de l eau et de la chaleur. Elles possèdent un rendement, ramené à l'énergie stockée, de l'ordre de 55%, sensiblement supérieur à celui des meilleurs moteurs thermiques, comme les diésels turbo-compressés. 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 kwe, et en 1970, K. Kordesh équipe une Austin A-40 (figure 2) avec le même type de pile (6 kwe) alimentée en hydrogène via un réservoir sous pression, placé sur le toit et contenant 2 kg d hydrogène; ce véhicule a parcouru près de 16 000 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 kwe 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. 2/11
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). 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 (en particulier par Renault) ; mais le véhicule embarque alors un sous-système supplémentaire, lourd, complexe et coûteux qui, de plus, produit du CO2. Cette solution a finalement été abandonnée dans les années 80. Après les premières réalisations des pionniers rappelés précédemment, tous les grands constructeurs automobiles mondiaux se sont lancés dans l'aventure, à partir de la fin des années 90, en produisant de multiples prototypes mettant en œuvre tous les choix technologiques possibles, ce qui a permis, par éliminations successives, de ne retenir aujourd'hui qu'une seule solution décrite dans le paragraphe suivant. Ce choix étant fait, il reste un travail important pour développer cette technologie à un prix compétitif; néanmoins le stade atteint aujourd'hui a déjà permis à trois constructeurs de démarrer la commercialisation de ce type de véhicules: - la coréen Hyundai avec sa Tucson ix35, proposée en location depuis le début 2013, - le japonais Toyota avec sa Mirai depuis fin 2015 (achat ou location) - le japonais Honda avec sa Clarity Fuel Cell, depuis mars 2016 (achat ou location) Compte tenu des efforts financiers à consentir pour atteindre les objectifs attendus, les constructeurs s'associent progressivement, ainsi: - les chinois de SAIC et Volkswagen depuis 2006, - Daimler, Ford et Nissan en janvier 2013, - Toyota et BMW en janvier 2013, - Volkswagen et Suzuki en mars 2013, - Honda et General Motors en juin 2013, - et pour ce qui concerne le développement des structures de recharge en hydrogène de leurs véhicules, l'entente, en avril 2014, dans le cadre du projet HyFIVE (Hydrogen For Innovative VEhicles) entre les constructeurs Honda, Toyota, Hyundai, Daimler et BMW,. 3/11
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, le plus généralement 700 bars pour les véhicules légers les plus récents et 350 bars pour les bus. - Une pile à combustible de type PEM, - Un système de stockage d électricité fonctionnant en parallèle avec la pile (batterie ou super capacités), - 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 sont 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 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. 4/11
Figure 5 L arrangement des composants sur le véhicule Honda FCX 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 kwe pour les véhicules légers (figure 7) et de 150 à 250 kwe pour certains bus. 5/11
L'hybridation s'est maintenant généralisée (en montage dit "parallèle") et a recours à une batterie de puissance (généralement 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 à la décélération 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 700 km pour les véhicules légers et de l'ordre de 300 km pour les bus. Moteur thermique Figure 7 - Toyota Mirai (2015) 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. Il a été développé 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, comparées 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 à l'arrêt ou, quand le véhicule roule, par une pile à combustible embarquée de faible puissance (5-20 kwe). 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 80 km) pour la porter à 200 300 km, ce qui change complètement l'approche de l'acheteur potentiel. 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 (figure 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 6/11
FCell 1 qui y a ajouté un kit de recharge constitué d'une pile PEM de 5 kwe. Il a été baptisé Kangoo ZE H2. Le véhicule embarque 1,8 kg d'hydrogène sous 350 bars. Le surcoût actuel est élevé (27 000 ) 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 2014. Dans ce cadre, La Poste en exploite 3 exemplaires à Dole (Jura) et à Luxeuil-les-Bains (Haute-Saône), - le projet FEDER HyWay qui exploite 50 exemplaires en Rhône-Alpes (Lyon - Grenoble), depuis la fin 2014, sur une période de 18 mois. D'autres projets vont aboutir en 2016 en France (St Lô, Cherbourg...) et en Europe. Figure 8 - La Kangoo ZE H2 de Symbio FCell 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. Véhicules spéciaux D'autres secteurs, moins traditionnels, voient apparaitre des applications dans lesquelles la pile à combustible apporte un intérêt supplémentaire, comme les chariots élévateurs, la voiture de course et les quadricycles. 6.1 - Les chariots élévateurs Ils sont très répandus dans le monde entier et sont généralement propulsés par l'un des deux types de générateurs suivants: batteries au plomb ou moteur thermique à gaz naturel. Or ces deux systèmes présentent des inconvénients sérieux: - temps de rechargement trop long pour les premiers, ce qui oblige à devoir intervertir les batteries quand elles sont déchargées et donc avoir un stock de batteries important, auquel s'ajoute un risque hydrogène pendant la charge, - pollution et bruit pour les seconds, le plus souvent utilisés dans des centres logistiques, donc dans des volumes fermés. La solution de remplacer ces systèmes par des piles à combustible supprime ces inconvénients et a séduit de nombreux constructeurs et utilisateurs dès 2010: Toyota (figure 9), Linde, Proton, Yale, Crown, General Motors, Hydrogenics, Ballard, Nissan, Air Liquide... 1 http://www.symbiofcell.com/ 7/11
Figure 9 - Chariot élévateur Toyota à pile à combustible En 2012, Air Liquide (via sa filiale Axane), avait fondé la société HyPulsion avec l'américain Plug Power, pour développer les générateurs à pile à combustible pour cette application; en août 2015, HyPulsion est devenue l'entière propriété de Plug Power, mais Air Liquide poursuit sa collaboration technique. En 2015, plus de 10 000 chariots étaient équipés de la sorte dans le monde, à la complète satisfaction de leurs utilisateurs. 6.2 - Les voitures de course Il existe depuis quelque temps des courses de voitures électriques (à batteries Li-ion). Il est donc naturel que certains aient pensé à remplacer (ou compléter) cette source électrique par une pile à combustible. C'est ainsi qu'en juin 2015 a été présentée, sur le circuit Paul Ricard, la GreenGT H2 (figure 10), pilotée par Olivier Panis. Cette voiture, initialement équipée en 2009 de batteries Li-ion, a été équipée d'une pile à combustible d'une puissance de 400 kwe, alimentant deux moteurs électriques (type synchrone à aimant permanent) de 200 kwe unitaires, la pile étant fournie par la PME française SymbioFCell. Figure 10 - La GreenGT H2 (en orange, le réservoir d'hydrogène) Deux réservoirs d'hydrogène comprimé à 350 bars assurent une autonomie de 40 mn. 8/11
6.3 - Les quadricycles Depuis juillet 2015, La Poste expérimente en Franche-Comté (Audincourt et Lons-le-Saulnier) 10 quadricycles à pile à combustible dans le cadre du projet européen FCH-JU MobyPost lancé en 2011 pour une durée de 4 ans. Ce projet à 9 partenaires en inclut 4 français: la PME MaHyTec, le laboratoire UTBM, La Poste et l'institut Vernier. Ces véhicules (figure 11) sont équipés d'une pile à combustible alimentée à partir d'un réservoir d'hydrogène basse pression (3 bars) qui leur confère une autonomie de 40-50 km. Figure 11 - Le quadricycle expérimenté dans le cadre de MobyPost 7. Systèmes auxiliaires de production d électricité (APU) 2 La demande en électricité dans les véhicules est en augmentation constante et peut atteindre plusieurs 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 permet de produire de l électricité avec un meilleur rendement que celui du moteur à combustion couplé à un alternateur chargeant une batterie. Cela assure une fourniture d énergie électrique prolongée lorsque le véhicule est à l arrêt (un avantage pour la climatisation, par exemple). Il répond bien aux nouveaux besoins des utilisateurs. La puissance installée se situe dans la gamme 5-15 kwe selon la nature du véhicule. Un tel générateur a vu le jour, à titre de démonstration, sur des véhicules haut de gamme, comme BMW qui l a déjà testé 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 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 (figure 12). Plus récemment, en 2015, l'allemand BAG (German federal office for Goods transport) a fait savoir qu'il avait équipé une première série d'utilitaires de type Volkswagen d'apu à pile à combustible fournies par SFC (piles à méthanol) pour alimenter divers appareils embarqués indépendamment du moteur thermique du véhicule, en particulier lorsque ce dernier est à l'arrêt. Ces véhicules, destinés à des contrôles sur autoroute, sont mis en œuvre plus de 8 heures par jour. Une deuxième série de plus de 300 véhicules de ce type a été ensuite équipée en fin 2015. 2 APU: Auxiliary Power Unit 9/11
Figure 12 - L'APU Delphi 8. 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 abandonnés 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 onéreuse (coût de l'hydrogène cryogénique) et 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. Si bien qu'aujourd'hui, en 2016, tous les constructeurs ont retenu la solution de l'hydrogène comprimé dans des réservoirs en structure 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 (figure 13): 20 30 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 (figure 5). Dans les bus, cet hydrogène est stocké dans une dizaine de bouteilles sur le toit (figure 6). 10/11
Figure 10 - Réservoir d hydrogène 700 bars Dynetek 9. Conclusions La majorité des acteurs du domaine des transports routiers est aujourd hui convaincue 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. Des décisions de commercialisation ont déjà été prises chez le coréen Hyundai et les japonais Toyota et Honda. D'autres devraient suivre en 2017-2018. Tous les aspects transverses (sécurité, normes, réglementation) ont évidemment été pris en compte et 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 inversement) 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 9.1.1 à 9.1.11 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. 11/11