Les piles à combustibles pour la mobilité terrestre

04/10/2018
Auteurs : JOEL DANROC
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23561
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Les piles à combustibles pour la mobilité terrestre

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Les piles à combustibles pour la mobilité terrestre La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 53 Les piles à combustibles pour la mobilité terrestre JOEL DANROC DEPUTY Manager CEA DRT Joel.danroc@ccea.fr 1. Introduction La mobilité routière est à 95 % assurée à partir d’énergie fossile pour des raisons liées à la facilité d’utilisation des carburants liquides « essence ou diesel » disponibles à des coûts limités. Les différents chocs pétroliers ont entrainé dans le passé le lancement par différents constructeurs automobiles de programmes de R&D de développement de véhicules électriques qui sont restés néanmoins à l’état de diffusion limitée. Les récents « plans climat » et COP visant à limiter les dégagements de C02 et surtout les résultats montrant sans ambiguité le rôle nocif des gaz d’échappement sur la santé ont récemment poussé la diffusion des véhicules électriques à batterie et plus récemment des véhicules électriques à piles à combustible pour des applications routières, ferroviaires, marine en complément du marché stationnaire déjà lancé (250 000 chaudières de cogénération au Japon). 2. La pile à combustible Le dix-huitième siècle a vu l’invention des piles à combustible dont le développement industriel a été effectué que beaucoup plus tard (1960). Les piles à combustibles utilisées pour le transport sont essentiellement des PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Le principe de fonctionnement est extrêmement simple : il s’agit de la réduction de l’hydrogène au sein d’un élément de pile avec production d’eau, d’énergie électrique et de chaleur (figure 1). Figure1 : Principe de fonctionnement d’une pile à combustible La réaction est catalysée par du platine et la température de fonctionnement est de l’ordre de 80 C. Les puissances de ces piles vont de l’ordre de quelques dizaines de mW au MW. Les durées de vie peuvent attendre 100 000 heures. Les rendements sont supérieurs à 50% soit deux fois le rendement des moteurs thermiques. Les piles actuelles font de l’ordre de 3kWe/litre et 3kWe/kg pour la pile ce qui explique leur développement pour les applications mobilité. 3. Les systèmes embarqués Les piles à combustibles peuvent être utilisées en prolongateur d’autonomie (figure 2) de véhicules à batterie (puissance de 5 à 40 kW (exemple Kangoo ZE H2 Symbio) ou en « Full Power » (100 à 400 kW : voitures Toyota (figure 3), Hyundai ou camions Nikola). L’hydrogène est stocké dans des réservoirs en composite à des pressions de 350 ou 700 bar dont le plein est effectué en 5 minutes. Les autonomies des véhicules varient de 500 à 600 km et peuvent atteindre 1000 km. Globalement les piles à combustible permettent à autonomie égale par rapport aux batteries de réduire le poids embarqué, d’accélérer la recharge, Résumé : Les piles à combustibles pour la mobilité sont en plein essor au niveau international avec un doublement des ventes tous les ans et l’implication forte de l’Asie et des US. En 2018 Monsieur le Ministre Nicolas Hulot a officiellement lancé « le plan de déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique » qui comporte une feuille de route « recherche » présentée par le CEA mais impliquant l’ensemble des organismes de recherche nationaux. Le présent document décrit l’état de l’art de cette technologie pour les applications mobilité et sa place dans l’écosystème international de l’hydrogène. Abstract: Fuel cells for the mobility applications are rapidly expanding at the international level with a doubling of sales every year and strong implication of Asia and US. In 2018 Nicolas Hulot, Minister of the Ecological Transition, officially, threw "the plan of deployment of the hydrogen for the energy transition which contains a “road map research" presented by the CEA but involving the set of the national research laboratories. The present document describes the state of the art of this technology for the “mobility applications” and its place in the international ecosystem of the hydrogen. Les piles à combustibles pour la mobilité terrestre La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 54 de limiter la consommation en matériaux rares et enfin de maintenir l’autonomie en fonction des variations climatiques. Les développements technologiques des piles à combustible concernent la diminution des quantités de platine et la diminution du coût des membranes polymères et l’optimisation de la partie électrique. Les objectifs de coûts qui sont de l’ordre de 60 $ par KWe pour les applications automobiles (durée de vie de l’ordre de 8000 h) sont atteignables avec des productions de un million de systèmes par an. Figure 2 :RE-BEV Figure 3 : FCEV 4. Les marchés Les marchés sont en pleine croissance avec une augmentation des applications pour la mobilité. A titre d’exemple, dès 2020 Toyota va produire 30 000 voitures par an Hyundai et Honda Daimler commercialisent de nouveaux modèles. Les taxis HYPE à Paris disposeront de 600 véhicules H2 en en 2020. - Le marché des camions se développe avec Toyota (Japon, US), Nikola (30 000 commandes), les bus Van- Holl, BYD …L’armée américaine teste actuellement des véhicules GM. - Le marché du rail : la moitié des lignes ferroviaires ne sont pas électrifiées ; à titre indicatif l’Allemagne a commandé 60 trains à pile à combustible Alstom pour remplacer les locomotives diesel en évitant ainsi l’électrification très couteuse des lignes. Les premiers Tramway « H2 » circulent en Chine. - Actuellement 20 000 charriots élévateurs « H2 » sont en fonctionnement, les vélos « Pragma » H2 sont en vente. 5. Les infrastructures de recharge H2 La diffusion des véhicules piles à combustible nécessite des infrastructures adaptées. Les analyses au niveau de l’Europe ont montré que le coût de l’infrastructure H2 est de l’ordre de celui de l’infrastructure des stations de recharge électrique dès lors que le nombre de véhicules atteint le chiffre de l’ordre de 7 millions. Les évolutions technologiques associées aux déploiements en masse rendront la mobilité H2 parfaitement compétitive en terme de coût par rapport à « l’écosystème fossile /moteurs combustion interne » sans en présenter les inconvénients. Les infrastructures sont en cours d’installation en Asie (Chine, Japon Corée) aux US et en Europe (plus de 3000 en 2025). 6. Conclusion La mobilité individuelle et collective « H2/Piles à combustible » s’inscrit dans l’approche systémique du développement des énergies renouvelables et de leur stockage grâce à l’hydrogène. Dans ce cadre, l’hydrogène devra être produit à partir d’énergies renouvelables. L’étude Mac Kinsey effectuée pour le « H2 Council » (initiative lancée en 2017 par des acteurs majeurs de l’industrie, de la mobilité et de l’énergie) prévoit la création plusieurs millions d’emplois pour la filière H2 globale en 2050. Le plan « H2 » lancé par Nicolas Hulot en 2018 confirme l’impulsion de l’état et le soutien de cette filière après des pays comme la Chine ou le Japon par exemple. Une feuille de route ambitieuse portée par le CEA mais intégrant l’ensemble des laboratoires de recherche nationaux a été validée ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la recherche dans le domaine du génie électrique. Les pôles de compétitivité dédiés à la mobilité et notamment MOVEO (dont fait partie le CEA LITEN) joueront un rôle important pour le déploiement de la mobilité H2 sur les territoires. L’objectif est de créer une filière industrielle, créer une dynamique, faire naitre et soutenir de nouveaux projets.