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Applications transport : La recherche a de beaux jours devant elle

Rédaction Industrie et Technologies
TROP CHERE, TROP PEU DURABLE ENCORE, LA PILE A COMBUSTIBLE EST LOIN D'ETRE PRETE POUR L'AUTOMOBILE. MAIS PEUT CONQUERIR BIEN AVANT LE FRET URBAIN COMME LES PETITS VEHICULES.

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Cent fois trop chère ! Dans l'automobile, où règne l'impératif économique, l'argument semble condamner, pour quelques décennies, la pile à combustible (PAC). De fait, le ratio raisonnable serait qu'elle produise 1 kW pour quelque 50 dollars (500 dollars/kW dans le poids lourd), alors qu'elle peine à percer le plancher des 3 000 dollars/kW. Pour autant, cette vision comptable ignore d'éventuelles flambées du prix du baril, ainsi que l'effet « volume » induit par la pré-production industrielle des piles.

Ainsi, les premières campagnes de fabrication ont déjà divisé par un facteur dix le coût initial. Pour autant, le plus chaud partisan européen de la PAC, DaimlerChrysler, pronostique 1% du marché en 2020... Quand PSA hasarde, à la même époque, la « possibilité d'une production en série ».


Intrinsèquement, une PAC est coûteuse. Au niveau des membranes échangeuses (autour de 500 dollars le mètre carré) dont la fabrication est aux mains d'une poignée de fabricants mondiaux comme 3M ou Du Pont de Nemours. De même pour les électrodes catalytiques, riches en platine. En fractionnant ce métal précieux en fines particules pour en accroitre la surface électro-active, les chercheurs ont pu réduire de deux ordres de grandeur la quantité utilisée. Là encore, l'effet industriel jouera dans l'avenir avec la mise en place de filières de recyclage du platine - issues des piles, mais aussi des pots catalytiques. Mais, la vraie stratégie de rupture consisterait à troquer remplacer le platine par des procédés de catalyse enzymatique. Ici l'action de corrosion des métaux par des bactéries, que l'on combat d'habitude, est au contraire, mise à profit. En France, le CEA et le CNRS, acteurs de cette biocatalyse, se retrouvent dans le programme européen Electro-Active Biofilm démarré en 2004.

Le prix n'est pas tout. Facteur aggravant, la pile à combustible pêche encore par une durabilité faible. Le chiffre de 2 500 heures est souvent cité. C'est suffisant pour un générateur de secours. Rédhibitoire dans le transport, où 10 000 heures entre deux interventions est le seuil acceptable. Ce problème est directement lié à la pureté de l'hydrogène consommé. Les grands producteurs comme Air Liquide s'emploient à qualifier les besoins de l'hydrogène-énergie et vérifier que le gaz qu'ils fournissent à l'industrie est compatible avec l'application transport.

Un seul argument - mais il est de taille ! - suffit à éclairer ce tableau qu'on s'est plu à noircir. L'hydrogène est pour beaucoup la seule source d'énergie capable de faire passer en douceur l'industrie du transport de l'ère « fossile » à l'ère « renouvelable ». Aujourd'hui majoritairement issu du pétrole, l'hydrogène sera demain extrait, par catalyse, de l'éolien, du solaire, de la biomasse ou du nucléaire.

Dans l'automobile, et généralement les transports, une seule technologie de PAC  est en lice, le procédé PEMC (membrane à échange de proton). C'est le procédé le plus compact, le moins chaud (il fonctionne autour de 100° C), il ne fait intervenir ni liquide ni acide et requiert un minimum de pièces tournantes - sujettes à panne. En revanche, de nombreux choix coexistent dans la façon de stocker l'hydrogène (haute, très haute pression, liquéfié, sous forme d'hydrures). Comme dans le mode d'approvisionnement : à la « pompe » ou par containers. Le stockage d'hydrogène sous forme d'hydrure offre un surcroit de sécurité puisqu'on ne produit l'hydrogène que dans la quantité où on le consomme.

Au plan de l'intégration et du poids, les problèmes les plus criants sont résolus. Tous les prototypes de voitures présentés sont des 5 places, atteignent 130 km/h et affichent au moins 300 km d'autonomie.
DaimlerChrysler en Europe, General Motors aux Etats-Unis, manifestent le plus grand volontarisme en matière d'automobile à hydrogène. Les japonais Honda et, surtout, Toyota ne sont pas moins actifs. Ce dernier promeut une vision hybride (PAC + batteries haute densité) du véhicule à hydrogène, qui tend à s'imposer.

Nissan Motor a dernièrement bâti sa propre solution intégrée de pile (extrêmement compacte) et de stockage d'hydrogène à haute pression. Une technologie dont pourra bénéficier, le moment venu, Renault. Celui-ci a par ailleurs noué un partenariat fort (avec prise de participation) avec Nuvera, société italienne qui développe en partie aux Etats-Unis. PSA, s'appuie sur la technologie du CEA et l'expertise du CNRS, au sein du groupement Genepac. De cette union est née une pile PEM d'une puissance élevée : 80 kW. Elle est d'ailleurs parmi les premières à être envisagée dans une optique industrielle - les plaques bipolaires sont embouties en non usinées. Par ailleurs, PSA travaille de pair avec l'anglais Intelligent Energy. BMW fait cavalier seul, étant l'un des rares constructeurs à parier sur l'hydrogène-carburant. L'industriel escompte ainsi prolonger sa suprématie de motoriste, même dans l'après-pétrole.

Dans l'automobile, l'essor de l'hydrogène suppose à la fois un renchérissement des carburants traditionnels, l'avènement d'une infrastructure logistique et une cascade d'évolutions techniques « casseuses » de prix. D'autres types de transport sont moins exigeants, comme le ferroviaire. Louis-Marie Cléon, directeur scientifique et technique de la SNCF supervise le programme national SPACT 80 (Système à base de pile à combustible pour le transport de 80 kW) qui testera dès 2007 des piles PEM fournies par le français Hélion (groupe Areva). Il explique : « La pile va être mise en concurrence avec des générateurs à diesel bio, des batteries de nouvelle génération, des super condensateurs, des volants d'inertie... Le but est double. D'abord, offrir une alimentation de secours en cas d'accident de caténaire. Ensuite, dimensionner au plus juste la traction des locomotives. Celle-ci est aujourd'hui calculée sur des puissances crêtes, c'est à dire surdimensionnée. La pile fournirait donc une puissance d'appoint.» Ici, bien entendu, le surcoût de la pile s'efface plus simplement devant le bénéfice réalisé.

Il en est de même pour les engins militaires. Une vingtaine de sous-marins des chantiers navals allemands Howaldtswerke-Deutsche Werft, embarquent ainsi une pile à combustible de Siemens de type anaérobie - elle « brûle » son propre oxygène. Ce sont des appareils de type conventionnel où le tout-électrique se substitue au diesel, avec un net avantage en terme de furtivité et une confortable autonomie de trois semaines en plongée. Helion vise de même la livraison de piles de quelques centaines de kW à la DGA. Les japonais (Japan Marine Science and Technology Center) travaillent depuis une décennie à de engins autonomes d'observation civils, comme l'Urashima 600 qui atteint 220 km en immersion

La marine de surface ? C'est au programme. On citera le très emblématique projet de la compagnie maritime scandinave Wallenius Wilhelmsen. S'il voit le jour, l' Orcelle sera un navire de croisière de 250 mètre, filant 20 nÅ“uds grâce à des piles de 20 MW, alimentées en bonne partie par l'énergie de la houle et celle fournie par trois mats chargés d'éoliennes et de panneaux solaires. Le taxi marin (Duffy Water Taxi), lui, est en service depuis 2003. Conçu par l'américain Duffy Electric Boat Company, il cabote avec 18 passagers dans la baie de San Francisco. Il est propulsé par une pile à combustible de 6 kW (type PEM) hybridée avec des batteries. Particularité : l'hydrogène est stocké sous forme de borohydrure (technologie de Millenium Cell).

Parmi les champs d'application possibles, il faut également  mentionner les véhicules « hors route », type tracteurs ou engins forestiers. Ainsi, l'américain Deere évalue la pile H2e fuel cell de l'italo-américain Nuvera. Cette dernière a l'avantage d'être multi-carburant puisqu'elle peut réformer du gaz naturel ou de l'essence.

C'est bien. Mais, finalement, existe-t-il oui ou non un marché de masse, à horizon visible, pour la pile à combustible dans les transports ? Patrick Maio (voir encadré) avance, non sans quelques raisons : « On attend la PAC sur un marché de substitution. Mais elle viendra peut-être d'applications nouvelles, comme de petites piles montées sur des vélos ! »

Et de fait, le thème de la mobilité individuelle connaît un boom sans précédent, surtout en Asie, aux centres-villes surpeuplés. On ne compte plus les petites merveilles de technologie sur deux roues, dotées de batteries Lithium-ion, de moteurs sans balai à aimant permanent, au freinage récupératif et... tout dernièrement dotées de PAC : Les « fuel cell scooters ». On cite en exemple Honda et son Honda FC Stack, basé sur un modèle 125 cm3. Mais les prétendants sont légion. Citons le ZES V, pré-industrialisé, du taïwanais APFCT alimenté par hydrures et consommant 1,6 g d'hydrogène à 30 km/h. Ou le Cell Scooter de l'italien Aprilia (aidé de Swiss Electric) dont la PAC de 60kW autorise 85 km/h. Et toute une pléthore de scooters électriques (Panthera Caprizzio, EVT-4000 electric, Lepton-E, E-Max scooter, Helio Cycles...) qui ne demandent qu'à troquer leur batterie contre une PAC. Evidemment, ce sont des technologies de pile « adaptées » qui vont s'imposer.

Ainsi, la firme américano taïwanaise eVionyx a développé un procédé original zinc-air bien adapté au deux-roues. Le britannique « Intelligent Energy, qui vise pareillement le marché de la moto, propose un concept inédit : la pile embarquée tient en fait dans une mallette et peut alimenter différents appareils comme des appareils électroménagers mobiles. Là encore, les premiers marchés visés sont la Chine et le Japon. A noter que l'autonomie de ces deux-roues atteint sans peine les (très suffisants) 100 km en cycle urbain.
Thierry Mahé
 

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