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Un sous-marin militaire propulsé par pile à hydrogène

Industrie et Technologies
C'est une solution 100% française que promeut la DGA pour alimenter des sous-marins à l'hydrogène. Point critiques : augmenter la disponibilité de la pile d'un ordre de grandeur, faire chuter vertigineusement le prix et gonfler un prot

La Délégation Générale pour l'Armement (DGA) envisage très sérieusement d'assurer la propulsion d'une génération future de sous-marins grâce à l'énergie fournie par une pile à combustible (PAC) à hydrogène. L'étude de faisabilité et la validation du concept ont été confié à Technicatome, et plus précisément à sa filiale Helion (Aix-en-Provence). Le groupe co-financera d'ailleurs ce développement à hauteur de 50%.

Autre acteur du projet, la Direction des Constructions Navales (DCN), par le biais de son établissement de Nantes-Indret. Helion fournira la pile et la DCN va concevoir le reformeur (extraction de l'hydrogène à partir d'un hydrocarbure) et chapeautera l'intégration du groupe motopropulseur.

Une pile fonctionne grâce à l'apport simultané d'hydrogène et d'oxygène. Ici, contrairement au transport terrestre où l'oxygène est simplement prélevé dans l'air, il faut embarquer les deux gaz. D'où le nom générique de la technologie : AIP-PAC, pour Air Independant Propulsion. Dans un premier temps, l'expérimentation concernera un bateau d'exploration.

Une pile à membrane échangeuse de protons

Le contrat d'étude va s'étaler sur 40 mois. La technologie de la pile est déjà à ce jour définie. Il s'agit d'une pile de type PEM (membrane échangeuse de protons) qui devrait développer une puissance entre 250 et 400 kW.

On connaît les avantages de la technologie PEM : sa maturité d'abord, puisque plus d'une centaine de prototypes au monde fonctionnent sur ce principe. A noter que le PEM met en oeuvre un électrolyte solide et non liquide, ce qui facilite grandement les applications mobiles. Ensuite et surtout les piles PEM fonctionnent à 'basse' température, moins de 100° C. Ce qui, d'une part simplifie le confinement, et d'autre part élimine le préchauffage de la pile : l'énergie est fournie quasi instantanément. Le rendement d'une PAC PRM est typiquement de 60% mais atteint 80% en mode cogénération, le circuit de refroidissement de la pile fournissant l'eau chaude à bord du sous-marin ou du navire. Un chiffre à rapporter aux 30% théoriques d'un moteur thermique.

En fait les avantages d'une PAC dans un sous-marin de défense sont nombreux. Au regard de la sécurité (pas de combustible nucléaire à bord), de l'encombrement et de la furtivité. Quasiment dénuée de pièces en mouvement, la pile à combustible est parfaitement silencieuse.

Des prototypes de 50 kW en 2004

Helion est née en juillet 2001 d'une volonté de développer une technologie pile à combustible 100% française. Loin de tout fabriquer, Helion agirait plutôt comme un bureau d'ingénierie, engrangeant de la propriété intellectuelle autour des organes cruciaux. Et développant des partenariats franco-français comme avec Sorapec, spécialiste français de l'électrochimie.

Disponible depuis février 2002, son prototype peut fonctionner en mode autonome (sur réserve d'oxygène) pour les applications anaérobies, délivrant 1 450 W. Son objectif, en accord avec le cahier des charges de la DGA, est d'atteindre 300 kW. Un premier jalon devrait être posé en 2004, avec la production semi-industrielle de prototypes de 50 kW en 2004.

Les éléments clé de la PAC sont le catalyseur (généralement du platine, dont la quantité est bien sûr optimisée : on a pu diviser sa masse par 30 !), la membrane d'échange protonique (et dans ce domaine, Dupont de Nemours a acquis un quasi monopole avec son matériau Nafion) et les plaques bipolaires. On ignore encore si Helion va proposer des alternatives technologiques à chacun de ces trois organes.

 Quant au reformage d'hydrocarbure (essence, gaz, méthanol...), la principale difficulté est d'obtenir un hydrogène extrêmement pur, la durée de vie de la pile étant directement liée aux résidus d'impureté (en particulier le monoxyde de carbone) dans l'hydrogène.

Objectif  2015

En fait, c'est la montée en puissance qui constitue encore le défi majeur. Car la majorité des piles jusqu'alors produites et testés se situent entre 5 kW/h pour des applications automobiles et 50 kW/h pour équiper des petites centrales de cogénération collective. Pour passer au stade de la propulsion d'un navire ou d'un sous-marin, il faut faire le grand saut... jusqu'au Mega W/h. Une gamme d'énergie où se montreraient certainement plus adaptées des technologies type SOFC (Solide Oxyde Fuel Cell)... hélas encore adolescentes.

L'aspect disponibilité est également fort contraignant. Car contrairement à l'idée admise qui voudrait que les piles à combustibles soient quasiment fin prêtes... en fait, leur durée de fonctionnement sans intervention n'excède pas à ce jour 1 000 ou 2 000 heures. Acceptable pour du transport terrestre, quasiment prohibitif pour des missions longue durée à bord d'un sous-marin. Il va falloir multiplier au moins par huit cette durée 'sans panne'. Le chiffre souvent cité étant d'une durée sans intervention de trois ans.

Le prix des piles constitue également un facteur aggravant ! Guy Ducroux, PDG fondateur de Helion, estime à 30 000 € le prix du kW, sur le prototype dont dispose aujourd'hui sa firme. Et il n'évoque ici que le prix des matériaux ! Incidemment, les thuriféraires tout crin de la PAC automobile savent-ils à quel hauteur les constructeurs automobiles ont fixé le seuil d'industrialisation : à 45 € par kW !

Pour toutes ces raisons, les spécialistes s'accordent à prévoir l'avènement de l'hydrogène dans la propulsion navale, au mieux vers 2015.

Thierry Mahé

Pour en savoir plus
- Le site d'Helion : http://www.helion-fuelcells.com/
- Le site de Technicatome : http://www.technicatome.com/
- Le site de la DCN : http://www.dcnintl.com/


 

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