Peugeot Partner PAC (9.2001)
pile à combustible - une mini usine électrochimique (l'Argus, 8.8.2002)
Delphi livre sa deuxième génération de pile à combustible (l'Argus, 29.8.2002)
Opel Zafira à pile à combustible (l'Argus, 30.1.2003)
Honda FCX - l'hydrogène autorisé (l'Argus, 3.4.2003)
Lada Antel 2 (Mondial de l'Auto, 10.2004)
le Peugeot Quark (Mondial de l'Auto, 10.2004)
Présentation de GENEPAC (OSA, 9.1.2006)

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Peugeot Partner PAC
(Peugeot, Salon de Francfort, 9.2001)

Le Groupe PSA Peugeot Citroën poursuit de manière active la mise en oeuvre d'une politique environnementale ambitieuse. Il intervient sur plusieurs champs d'action. Au premier rang de ceux-ci figure évidemment lu technologie automobile l'évolution des moteurs thermiques, l'allégement et l'aérodynamique des véhicules, et aussi le développement de nouveaux types de motorisations sont au coeur de ses programmes de recherche. Cette action est complétée pur une implication importante dans des domaines connexes le groupe travaille activement à l'amélioration des carburants et au développement de nouvelles formes d'énergie pour l'automobile, en particulier les biocarburants. Enfin, convaincu de la nécessité d'une prise en compte de l'ensemble du cycle du carbone, PSA Peugeot Citroën s'engage directement dans la recherche de solutions en amont de la production de CO2, à travers la mise en oeuvre expérimentale d'un puits de carbone. Afin de répondre aux impératifs environnementaux et aux attentes des consommateurs, Peugeot propose une large palette de véhicules fonctionnant grâce à de nouvelles énergies, également appelées "énergies alternatives". Ainsi en est-il des modèles des gammes 106, 406 et Partner, utilisant soit le gaz de pétrole liquéfié carburant ou GPL-C, soit le gaz naturel véhicule ou GNV, soit l'électricité, soit enfin les biocarburants. A ces différentes énergies, qui apportent des solutions qui se complètent et satisfont chacune une demande spécifique, Peugeot ajoute une nouvelle réponse au défi de la réduction des émissions et de la consommation des automobiles: la pile à combustible. Son principe est la transformation directe, à bord du véhicule, d'énergie chimique en électricité. Son application pourrait théoriquement permettre la réalisation de véhicules électriques - et donc zéro émission locale - à grande autonomie le principal frein au développement de l'utilisation de ces derniers serait ainsi levé. D'autre part, le rendement de la pile à combustible et la variété de carburants qui peuvent l'alimenter ouvrent des perspectives importantes en termes de réduction de la consommation et de l'émission de gaz carbonique. Le principe une réaction chimique Une pile à combustible permet d'obtenir directement un courant électrique par oxydation d'un combustible (l'hydrogène étant le combustible idéal) sur une électrode et une rédaction de l'oxygène sur une seconde électrode. Cette réaction d'oxydoréduction produit de l'énergie, et de l'eau. Ce principe très simple n'est cependant pas aisé à mettre en oeuvre dans une automobile. En effet, l'hydrogène nécessaire doit, soit être stocké, soit être produit à bord. Or, le stockage de l'hydrogène est problématique, en raison de su faible densité (70 g/m3 à l'état liquide) et de su température de passage à l'état liquide (- 252~C). Quant à la production d'hydrogène à bord, le choix du carburant retenu peut peser lourdement sur le bilan environnemental du véhicule. Les biocarburants et en particulier I'éthanol ouvrent dans ce domaine aussi des perspectives prometteuses. Des voies multiples en cours d'exploration PSA Peugeot Citroën s'est engagé dans une démarche de recherches multiples afin d'explorer les diverses possibilités de mise en oeuvre d'une pile à combustible embarquée, avec un bilan environnemental optimal et des performances économiques et techniques viables, l'enjeu étant aujourd'hui de parvenir à un prix de revient et à un encombrement satisfaisants. Les principales voies d'utilisation de la pile à combustible sont les suivantes - comme source d'énergie principale : c'est l'objet du programme européen HydroGen dans le cadre duquel PSA Peugeot Citroën a réalisé un véhicule, premier prototype sur la base du Peugeot Partner - comme générateur auxiliaire pour véhicules thermiques : là encore, une petite pile à combustible peut fournir l'énergie nécessaire à un alternateur de nouvelle génération, de forte puissance et offrant des fonctionnalités nouvelles génératrices d'économie d'énergie. - comme générateur auxiliaire pour véhicules électriques et hybrides : il s'agit d'une pile à combustible de petite dimension qui permet d'étendre l'autonomie et d'optimiser la masse de batteries embarquées. Le groupe a réalisé à partir de ce principe un véhicule démonstrateur sur la base d'un Peugeot Partner Electric transformé en taxi pour la circonstance, choix dicté par la capacité de ce dernier à évoluer dans un milieu urbain et suburbain sans pollution locale. Le Partner Taxi PAC de démonstration Une mission a été lancée auprès des compagnies et professionnels du taxi pour connaître les conditions réelles dans lesquelles s'exerce cette activité et les aspirations exprimées en terme d'efficacité. En tenant compte de la notion de flotte de véhicule, il ressort que la traction électrique est souhaitée pour des raisons de confort, de propreté, de coût d'utilisation, mais avec une autonomie devant se situer à 250 km environ. Afin de répondre à ces aspirations et à ces contraintes d'utilisation, le Partner Taxi PAC de démonstration conserve son moteur électrique d'origine et reçoit une pile à combustible, des batteries Nickel Métal Hydrure de petite dimension ainsi qu'un "rack" ou container constitué de neuf bouteilles d'hydrogène. Cette base permet de conserver avantageusement une partie de la structure, avec notamment les portes latérales coulissantes, la chaîne de traction électrique, (avec un moteur d'une puissance nominale de 22 kW lié à une transmission à train épicycloïdal), les liaisons au sol et de nombreux équipements extérieurs et intérieurs (le poste de conduite par exemple). L'intérieur de ce Taxi PAC est réaménagé en deux parties séparées par un vitrage : un espace réservé au conducteur et un généreux habitacle pourvu d'une large banquette pour trois personnes, implantée au-dessus du rack et du train arrière. A côté du conducteur, disposant de toutes les commandes et des équipements d'un Partner de série, un emplacement est réservé au rangement des bagages qui peut laisser place, grâce à un siège pliant et escamoté dans le plancher, à une assise dos à la route pour un éventuel quatrième passager. Le pavillon est partiellement composé de panneaux de verre assurant une bonne luminosité intérieure. Les passagers de la banquette arrière disposent d'un écran pour visionner le parcours emprunté ou un film DVD, ou consulter des informations extérieures. Ce Partner Taxi PAC de démonstration peut rouler en mode 100 % électrique ou en mode hybride. Caractéristiques techniques de démonstrateur Moteur Type SA 18 à courant continu et à excitation séparée, fournisseur Leroy Somer Puissance nominale 22 kW, puissance maximale 36 kW, couple maxi 210 Nm, régime maximal 6 500 tr/mn Courant de traction maxi 230 A, courant d'excitation maxi : 10 A Mode de refroidissement : air pulsé Transmission Traction avant, type réducteur épicycloïdal, rapport 0,1396 Vitesse : 15,11 km/h (1 000 tr/mn) Batteries Type : nickel / métal hydrure, fournisseur Panasonic 15 monoblocs EV-95, emplacement centré sous le plancher Tension nominale 180 V, capacité 95 Ah, poids 280 kg Mode de refroidissement : air Charge normale : En roulage : système de pile à combustible et de récupération d'énergie lors des décélérations et freinages En stationnement : par prise domestique ou borne publique Chargeur embarqué 230 V monophasé 16 A, puissance utile 3 kW Temps de recharge : 9 h maxi quand les batteries sont entièrement vides ou 15 km d'autonomie par heure de recharge Charge rapide : Par borne spécifique accessible par carte magnétique personnalisée, pilotage automatique de la recharge par le calculateur du véhicule Puissance utile de 24 à 30 kW, t Temps de recharge : 2 km d'autonomie par minute de recharge Charge exceptionnelle Par système pile à combustible Temps de recharge : 30 km d'autonomie par heure de recharge Batterie de servitude 12 V 40 Ah Convertisseur 180 V / 12V, puissance 1 kW Pile à combustible Fournisseur : H Power Puissance 5,5 kW nette à 86 V, rendement pour le système complet 48 %, rendement pour la pile seule 58 % Pression d'air 1,2 bar, pression d'hydrogène 1,6 bar Refroidissement : circulation forcée d'eau Emplacement : dans le compartiment avant, devant le moteur électrique Alimentation : hydrogène pur Réservoir Rack : constitué de 9 bouteilles d'hydrogène (disponibles dans le commerce) reliées entre elles par une tubulure Pression d'utilisation 300 bars, Capacité 80 litres (soit 1,5 kg d'hydrogène) Matière : matériaux composites, fibre de carbone, résine Epoxy et vessie en alliage d'aluminium Niveau de détente : 300 bars à 7 bars pour l'alimentation de la pile Emplacement : sous le coffre arrière Remplissage : échange (durée de l'opération : quelques minutes) Sécurité Contrôle du taux d'hydrogène dans 2 volumes (zones de connections). Des détecteurs coupent l'arrivée d'hydrogène et la pile en cas de détection d'un taux correspondant 5 % de la limite d'explosibilité. Une soupape évite les surpressions dans les réservoirs (idem réservoir GPLC) Un disque de rupture dans le volume contrôlé arrière se découpe dès l'apparition d'une surpression très faible (80 mbar). Chauffage Par échange thermique avec le circuit de refroidissement de la pile à combustible et par une résistance électrique assurant un complément et une mise en action rapide Fournisseur Valeo, puissance de chauffe 4 kW Direction Assistée, groupe électro-pompe GEP2 Performances Accélération : 0-50 km/h 8,4 s Vitesse maximale : 95 km/h Autonomie : de 200 à 300 km Dimensions Longueur 4,110 m, largeur 1,960 m, hauteur 1,800 m, SCx : 0,9 m2 Poids à vide : 1 740 kg

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Pile à combustible - Une mini usine électrochimique
(Jacques Farenc, L'Argus de l'Automobile, 8.8.2002)

En raison des sérieuses difficultés techniques restant à surmonter, la pile à combustible n'équipera pas les voitures individuelles avant 2020 et les deux-roues et camions avant 2005 selon les spécialistes. Véritable révolution technique, la pile à combustible agite l'industrie automobile depuis près d'un demi siècle. Si elle fut inventée par le chercheur amateur sir William Grove en 1839, elle trouva sa première consécration en 1965. Cette pile servit non seulement à produire de l'électricité à bord de la capsule spatiale Gemini, mais également à alimenter en eau les astronautes, le liquide étant produit à "l'échappement" de celle-ci. Principe de fonctionnement d'une pile à combustible. Combustion propre Son principe est relativement simple. Il suffit de se souvenir des travaux pratiques de nos cours sur l'électrolyse de l'eau du lycée. Cette opération consiste à mettre sous tension électrique deux fils conducteurs - les électrodes - immergés dans de l'eau. Cela provoque alors sa décomposition en hydrogène (H) et oxygène (O). Pour la pile à combustible, c'est le procédé inverse : une réaction chimique engendre un courant électrique. Alors cette réaction s'inscrit comme suit : H2 + O2 = H2O (eau) plus de l'énergie électrique. Dans son principe, la pile à combustible ne rejette que de l'eau. Elle n'est donc pas polluante. En plus de cela, son rendement est très avantageux. Si le rendement initial d'une pile à combustible peut atteindre 87 %, celui du système complet tombe entre 30 % et 40 %. Malgré tout, il est encore bien supérieur à celui d'un moteur thermique classique, qui oscille entre 20 % et 30 %. Grâce à ses très bonnes performances en fonctionnement à charge partielle - ce qui correspond à la circulation urbaine -, la pile intéresse l'industrie automobile. En outre, elle dispose d'une autonomie satisfaisante et d'une réserve de puissance bien supérieure à celle des batteries, même les plus récentes. Pour faire tourner un moteur, il faut disposer de 70 kW à 100 kW, ce qui correspond à une consommation moyenne de 1,1 kg d'hydrogène aux 100 km. La quantité d'hydrogène à embarquer ne paraît donc pas irréaliste; ce qui permettrait de rouler dans d'excellentes conditions sur une longue distance. Inconvénients irrésolus Le coût exorbitant de la pile à combustible constitue le principal obstacle à son développement. Le coût du kilowatt produit par une pile à combustible se situe entre 1500 et 3000 dollars ! Pour que cette technologie soit viable, il faudrait descendre entre 30 et 40 dollars du kW, pour une voiture particulière à titre d'exemple. En outre, la réaction chimique fournit beaucoup de calories. L'éliminer est une opération assez difficile, notamment pour une voiture de série d'un petit gabarit et fabriquée avec de sérieuses contraintes budgétaires. Outre le processus de miniaturisation (volume et poids), il s'agit aussi de fiabiliser le système Les nombreux éléments périphériques (régulateur, détendeur, double circuit de préchauffage au démarrage, système de refroidissement, compresseur...) qui participent au fonctionnement de la pile augmentent l'encombrement du dispositif et son coût. La pile à combustible utilise de l'hydrogène comme "carburant", un gaz difficile et dangereux à stocker à l'état pur. Forte pression et température extrême sont requises. L'approvisionnement en hydrogène pose également un problème. Car, si ce corps gazeux est présent dans l'atmosphère, il n'existe pas à l'état pur. Il faut donc le produire. Comme il n'existe pas encore de réseau d'approvisionnement, certains constructeurs envisagent de le produire directement à bord du véhicule à partir d'un gaz ou d'un liquide, comme le méthanol ou des carburants fossiles. cette transformation, baptisée reformage, complique encore beaucoup l'expérimentation de la pile à combustible. Pour Patrick Coroller, chef du département technique des transports au sein de l'Ademe : "Aujourd'hui, nul ne peut affirmer qu'on adoptera le principe de stockage d'hydrogène pur, plutôt qu'un composant liquide à fort taux d'hydrogène dont il faudra assurer le reformage à bord." Enfin, il n'existe pas encore de législation dédiée à l'utilisation d'une pile à combustible pour le secteur de l'automobile. Tout le monde y travaille Tous les constructeurs automobiles sont sur les rangs. La société Ballard, le spécialiste canadien de la pile à combustible, s'est alliée avec Daimler Chrysler et Ford. Renault Nissan a investi 700 millions de dollars sur cinq ans... General Motors, les japonais Toyota, Honda et Mazda relèvent aussi le défi. Mais, selon Thierry Alleau, président de l'Association française de l'hydrogène, il faudra patienter une ou deux décennies "pour parvenir à des solutions industrielles viables et rentables, et cela en toute sécurité". La production industrielle de camions et de deux-roues équipés en pile à combustible pourrait démarrer en 2005. Le constructeur italien Aprilia propose déjà un vélomoteur à pile à combustible de 600 watts, garantissant seulement 75 km d'autonomie. Mais, en raison des difficultés techniques à surmonter, il faudra vraisemblablement attendre 2020 pour l'équipement en série des voitures individuelles. Même si, peut-être un peu prématurément, Toyota et Honda annoncent des petites séries dès 2003 ou 2004, et Renault Nissan vers 2005 ou 2006. Implantation de la pile à combustible dans le faux plancher du "concept-car" de Mercedes, le Necar. La pile à oxydes solides de DELPHI Delphi travaille depuis plusieurs années sur la technique de la pile à combustible. Sa solution est une version dite "à oxydes solides" avec extraction de l'hydrogène à partir soit d'essence (dans le cas de BMW), soit de gazole (en partenariat avec Renault). L'avantage de la solution de Delphi par rapport aux autres est son rapport entre poids et encombrement. Alors qu'une pile classique pèse 200 kg pour un volume de 500 litres, la première version Delphi à oxydes solides ne faisait, avec le même poids, que 152 litres. Et la seconde génération, qui devrait être opérationnelle à la fin de cette avec année, doit atteindre 44 litres pour 50 kg. Ce qui représente une réduction de 70 à 75 %. Mais Delphi a conçu uniquement ce système à des fins "d'assistance énergétique" : pour faire fonctionner l'air conditionné à l'arrêt, le chauffage de la cabine et le fonctionnement de la remorque frigorifique d'un camion par exemple.., avec une pile de 5 kW seulement.

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Delphi livre sa deuxième génération de pile à combustible
(Elodie Lamboley, L'Argus de l'Automobile, 29.8.2002)

En septembre, Delphi livrera la deuxième génération de pile à combustible à oxyde solide à BMW. Sa vocation est de fournir de l'électricité pour alimenter les accessoires de l'automobile. Delphi et BMW ont signé, en avril 1999, un protocole d'accord pour développer une pile à combustible destinée non pas à la propulsion du véhicule mais à l'alimentation des accessoires. Et, le 2 mai 2000, Renault a rejoint les deux partenaires. Si le constructeur allemand se concentre sur un système fonctionnant avec de l'essence, Renault, lui, mise plutôt sur le gazole pour ses véhicules utilitaires, voire ses camions. En septembre, Delphi livrera au bavarois la deuxième génération de pile à combustible à oxyde solide (ou SOFC, pour Solid Oxyde Fuel Cell). Explications sur le but et le principe d'un tel système. En place dans le coffre d'une BMW, la pile SOFC de deuxième génération occupe quasiment 4 fois moins de place que la précédente. Coût toujours prohibitif Dans un futur proche, les automobiles seront équipées de systèmes très gourmands en électricité. Les batteries actuelles (APU) afin de fournir l'énergie aux composants déjà existants comme les projecteurs, l'injection directe, la pompe à essence, ou aux sous-systèmes activés mécaniquement comme le compresseur de climatisation, les pompes à eau, le ventilateur de refroidissement moteur, ou encore aux innovations tout électrique comme la direction assistée, les freins, les soupapes électromagnétiques, le chauffage des sièges ou du pare-brise et les systèmes de confort et de navigation. "En 2010, une automobile de luxe aura besoin de presque 5 kW pour faire fonctionner tout cela. Cette puissance est bien supérieure à ce que peut fournir une batterie classique aujourd'hui. C'est pourquoi nous avons développé la pile à combustible à oxyde solide", explique Jean Boni, responsable du centre d'innovation de Delphi pour le secteur dynamique et propulsion. Pour accélérer la mise au point de la SOFC et lui trouver un débouché certain, l'équipementier a choisi de collaborer avec deux constructeurs européens. "Nous avons livré à BMW la première SOFC fin 2000. Elle était très encombrante et occupait la totalité du coffre d'une berline. La nouvelle génération que nous lui remettrons en septembre est plus petite. Le premier concept avait une taille équivalente à 152 litres contre 44 litres pour la deuxième génération. Le constat est similaire en termes de poids : 200 kg contre 50 kg", détaille Jean Botti. Ces progrès permettent de loger plus facilement la SOFC. "Nous avons fourni un énorme effort en ingénierie pour obtenir ces résultats. Nous avons adopté un nouveau design en supprimant un sous-système. Notre autre objectif était d'atteindre une meilleure efficacité des coûts", renchérit Jean Boni. Comme bien souvent dans l'automobile, le coût est un frein majeur à la mise sur le marché des innovations. Actuellement, le prix du kilowatt émanant de la pile à combustible à oxyde solide s'élève à 3 000 dollars. "A ce tarif, seule une application militaire est envisageable. Entre 2012 et 2016, nous prévoyons d'avoir baissé le prix à 150 dollars par kilowatt. C'est seulement à ce moment que la SOFC équipera les voitures produites en série. Avant 2012, nous tablons sur un prix de 400 dollars par kilowatt. Un coût suffisamment bas pour faire son entrée dans le secteur de l'automobile de luxe", estime Jean Botti. Meilleur rendement énergétique Il est important de ne pas confondre la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), utilisée pour la propulsion de véhicule et sur laquelle Delphi travaille également, avec la SOFC. La première est beaucoup plus complexe. Une des différences notoires se situe dans les températures nécessaires au fonctionnement du reformeur - appareil qui extrait les molécules d'hydrogène d'un carburant quelconque - et à celui du coeur du système. En outre, la PEM nécessite l'emploi de platine, un métal onéreux. Le reformeur de la SOFC utilise du carburant classique. Ce dernier génère un gaz riche en hydrogène grâce à une oxydation partielle d'essence ou de gazole par le biais de zirconium. Elle s'effectue à 800°C en une unique étape. Le reformeur délivre ce gaz à l'unité centrale où il entre en réaction avec de l'oxygène (à une température comprise entre 700 et 1000°C). Il en résulte une production d'électricité, d'eau et de dioxyde de carbone. La chaleur dégagée par le processus de reformage peut être acheminée, par exemple, vers le chauffage de l'habitacle. Des batteries au lithium polymère engrangent l'énergie ainsi créée et la distribuent de manière équilibrée aux différents systèmes. L'un des principaux avantages de la SOFC est qu'elle n'est pas reliée au moteur, contrairement à un alternateur qui y puise son potentiel électrique. "Le rendement du moteur thermique devient naturellement meilleur puisqu'on ne le sollicite plus pour des fonctions connexes. Pour chaque kilowatt produit avec la SOFC on économise beaucoup de carburant", énonce Jean Boni. La pile à combustible à oxyde solide est donc plus efficace au niveau du rendement énergétique. Selon les estimations de Delphi, pour la même quantité de carburant, la SOFC est deux fois plus rentable qu'un système classique. Le reformeur, coeur de la pile à combustible, est visible sur cette photo : c'est le tube situé à l'arrière de la pile. Encore perfectible Bien sûr, cette pile n'est pas encore parfaite, hormis son coût encore très élevé. Même si la technologie de base est maîtrisée, Delphi se concentre sur des points clés comme l'efficacité du reformeur, la durabilité du système, le temps de mise en route, le poids et le volume. "Nous avons testé deux sortes de reformeur : un tubulaire et un plat. En utilisant du carburant dit suédois, car moins riche en soufre, il semble que nous obtenons de meilleurs résultats avec le tubulaire. Il est capable de générer plus d'hydrogène. En termes de durabilité, notre objectif pour 2004 est d'atteindre 100 cycles (marche-arrêt). Le but ultime est fixé à 10 000 cycles. Le temps de mise en route est encore de l'ordre de 10 minutes, beaucoup trop long pour le client final", explique Jean Boni. Reste aussi la question de l'isolation de la SOFC dans le véhicule. "C'est une véritable usine chimique. Il faut être attentif aux vibrations produites par les voitures. Mais ce n'est pas un gros problème à résoudre", affirme Jean Boni. La mise au point de la pile à combustible à oxyde solide progresse indéniablement. Mais son arrivée sur le marché n'est pas programmée avant le début de la prochaine décennie. Ce projet démontre que les équipementiers et les constructeurs ont tout intérêt à travailler main dans la main pour obtenir des résultats concrets et rapides sur des techniques très avancées. Pile à combustible à oxyde solide 1ère génération 2ème génération 152 litres / 3.45 44 litres 200 kg / 4 50 kg

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Opel Zafira à pile à combustible
(Yves Martin, L'Argus de l'Automobile, 30.1.2003)

Si le concept est encore futuriste, pour la première fois, avec l'Opel Zafira Hydrogen 3, un constructeur d'automobiles, General Motors en l'occurrence, propose une version aboutie d'un véhicule à pile à combustible. Présentée dans les années 90, la pile à combustible est vite apparue comme une des solutions pour résoudre le problème de la pollution engendrée par l'automobile. Les constructeurs se sont donc lancés dans cette nouvelle aventure avec l'aide des équipementiers et à coup de millions de dollars... Si certains constructeurs, les français notamment, ont un peu levé le pied sur les recherches et cessé toute communication sur leurs travaux, d'autres y croient toujours et investissent en moyens humains et financiers. C'est le cas de General Motors, le plus grand constructeur américain, qui vient de créer une cellule spéciale baptisée GM FCA (fuel cell activity, unité pile à combustible) composée de cinq cents personnes. Comme le souligne Larry Burns, vice-président du groupe, "le chemin est encore long, mais il s'agit d'une étape capitale dans la voie de la production en série d'une automobile à pile à combustible". Après la présentation de l'Hydrogen 3, les essais vont se multiplier, à Tokyo puis à Berlin. Déjà, les progrès sont notables sur cette nouvelle version, troisième du nom. General Motors a notamment réussi à supprimer la lourde batterie tampon. Cette dernière était utilisée pour absorber les pics de tension engendrés par les différences de besoins énergétiques du moteur électrique. Loin d'être anodine, cette intervention a permis de gagner pratiquement 100 kg et surtout de conserver un volume habitable identique à celui d'un Zafira classique (lire "Intégration réussie"). Les quelques kilomètres que nous avons effectués dans les rues de Monaco nous ont permis de juger de la viabilité de l'engin. Les performances sont tout à fait acceptables, et un démarrage en côte ne pose aucun problème. La relance est "normale", et la voiture ne s'essouffle pas si rapidement que cela. Les accélérations sont également largement suffisantes pour circuler en ville. En fait, les inconvénients se situent ailleurs. Ainsi, le Zafira Hydrogen 3 ne possède pas de frein moteur. Il faut donc se méfier en descente et garder le pied sur la pédale de freins. Ces derniers sont d'ailleurs ceux du Zafira OPC, la version "sportive" de ce monospace compact. Conscient de cet inconvénient, le constructeur a l'intention d'y remédier en intégrant, dès la prochaine version, la fonction de frein moteur. Elle devrait prendre la forme d'un ralentisseur électromagnétique (connu sous le nom de Telma), comme sur les camions. Par ailleurs, le silence du moteur met en évidence d'autres bruits. Par exemple, celui du compresseur d'hydrogène. Son ronronnement, omniprésent et inhabituel, demande une certaine habitude, les occupants ayant un peu l'impression que quelque chose ne tourne pas rond. Toutefois, ce bruit, qui n'est en fait audible que de l'intérieur, est si ténu que les piétons ne nous entendent pas arriver. Méfiance ! Nous avons plus d'une fois surpris un promeneur en "débouchant" juste devant son nez, comme surgissant de nulle part. L'ajout d'un bruiteur ou d'un avertisseur sonore spécifique serait le bienvenu. Cependant, le premier frein au développement de l'Hydrogen 3 est son coût, encore dix fois supérieur à celui d'un véhicule normal. Il n'est donc pas commercialisable pour l'heure. General Motors va devoir réaliser d'énormes efforts pour en diminuer le prix de vente. Mais cela ne semble pas irréalisable puisque, en comparaison, 1 gigabit pour un ordinateur coûtait environ 17 000 dollars en 1988, alors qu'il vaut aujourd'hui 6 dollars ! D'après les représentants du constructeur, la pile à combustible devrait suivre le même style d'évolution. Malheureusement, cela ne suffira pas à gagner ce pari car, comme le souligne le docteur Erhard Schubert, directeur du centre de recherches de Mayence-Kastel (Allemagne), "la création dense de stations-service pour assurer la distribution de ce carburant, la simplification des procédures d'autorisation pour les installations industrielles d'extraction de l'énergie, et la standardisation des composants sont encore autant de pas à franchir". La commercialisation d'un véhicule propre fonctionnant avec une pile à combustible n'est donc plus tributaire de la technologie, qui est aujourd'hui performante et qui le sera bientôt encore plus. A présent, c'est aux pouvoirs publics qu'il appartient de donner des moyens et une infrastructure pour permettre à ce type de véhicules de rouler. Intégration réussie Contrairement à la réalisation d'un prototype comme le Hy Wire, l'adaptation d'une pile à combustible sur un véhicule déjà existant est forcément contraignante et pas toujours optimale. Pourtant, le Zafira Hydrogen 3 ne perd que ses deux places additionnelles situées dans le coffre et gagne un léger embonpoint pour afficher, d'après nos estimations, environ 1750 kg sur la balance (265 kg de plus qu'une version Diesel 2.0 DTi). A terme, l'objectif est d'atteindre 1590 kg. Enfin, dernière petite différence, les sièges arrière sont surélevés de 25 mm par rapport à ceux d'un modèle de série, et ce à cause de la mise en place du (ou des) réservoir(s) sous les sièges. Une version performante La pile à combustible du Zafira Hydrogen 3 est constituée de 200 cellules individuelles montées en série et qui fournissent une tension totale comprise en 125 et 200 volts. La puissance délivrée est composée de deux valeurs : la puissance en continu, qui est de 94 kW, et celle de crête, qui atteint 129 kW, ce qui correspond à une puissance unitaire de 1.6 kW/l ou de 0.94 kW/l. La surface totale d'échange fournie par tous ces éléments est de 800 cm2. La pile fonctionne avec une pression interne située entre 1.5 et 2.7 bars. Le tout est contenu dans un volume relativement restreint de 472 x 251 x 496 mm (Lxlxh). Dernier point d'amélioration, la pile fonctionne à une température relativement basse (80°C). Toutefois, son démarrage à froid peut s'effectuer à -20°C, et elle délivre sa pleine puissance en trente secondes. Hydrogène liquide ou gazeux ? La Zafira Hydrogen 3 est déclinée en deux versions. L'une embarque de l'hydrogène liquide, l'autre de l'hydrogène gazeux. Le premier utilise 68 l (ou 4.6 kg) d'hydrogène liquide stockés à une température de -253°C, et il fournit une autonomie de 400 km. Le réservoir, en acier inoxydable, dispose d'une isolation spécifique et pèse 90 kg. La seconde version utilise 77.4 l, soit 3.1 kg d'hydrogène gazeux conservé à une pression de 700 bars dans deux réservoirs en fibre de carbone (poids total 95 kg). Ici, l'autonomie maximale est de 270 km. Le stockage de l'hydrogène liquide semble donc le plus intéressant. Reste à pallier le phénomène de "boil off", c'est-à-dire de l'évaporation naturelle de l'hydrogène lorsque le véhicule est à l'arrêt. Malgré l'isolation importante du réservoir, l'hydrogène se réchauffe et, vu la petite taille de ses molécules, le gaz arrive à passer à travers les parois et les canalisations. Comme le précise le docteur Josefin Meusinger, ingénieur dans le service des systèmes de stockage de l'hydrogène, "si l'on parcourt mois de 25 km par jour, il y a, aujourd'hui, trop de perte par évaporation si l'on utilise l'hydrogène liquide." Cette solution n'est alors pas rentable. Ce phénomène ne se produit pas avec l'hydrogène gazeux stocké sous une forte pression. Vers une production de l'énergie propre Lorsqu'il utilise une pile à combustible et de l'hydrogène comme carburant de base, un véhicule ne pollue plus du tout, les émissions à l'échappement se résumant à... de l'eau. On pourrait donc croire qu'il s'agit là de la solution miracle. Malheureusement, ce n'est pas si évident que cela. En effet, il faut désormais penser autrement en matière de pollution et parler de bilan énergétique global. C'est-à-dire qu'il faut non seulement tenir compte de la pollution au niveau de la voiture, mais aussi tout au long de la chaîne de production et de la mise en service du carburant de base. Dans le cas de l'hydrogène, tout n'est pas rose, et le bilan énergétique n'est pas toujours à son avantage. Par exemple, selon le pays producteur et la filière retenue, qu'il s'agisse d'embarquer de l'hydrogène liquide ou gazeux, les chiffres sont extrêmement variables. Les émissions de CO2 atteignent 251 g/km pour la production de l'hydrogène liquide, et de 155 g/km quand il est à l'état gazeux. Dans ces deux cas, le carburant est issu d'une transformation de gaz naturel à l'aide d'électricité (centrale électro-hydraulique). N'en déplaise aux écologistes, les meilleurs résultats en matière de production de CO2 sont obtenus lorsque l'hydrogène, gazeux, est produit, en France, par une centrale nucléaire. Dans ce cas, la valeur est de 52 g/km, soit la plus faible, toutes solutions confondues (y compris pour la production d'autres carburants). Il résulte que, si la pile à combustible est effectivement une solution pour réduire la pollution des automobiles, il faut désormais déplacer le problème et l'étendre aux diverses filières de production de l'énergie.

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Honda FCX - L'hydrogène autorisé
(Jean-Pierre Gosselin, L'Argus de l'Automobile, 3.4.2003)

En sortant la première voiture "de série" fonctionnant avec une pile à combustible, Honda prend une longueur d'avance dans le domaine des énergies nouvelles... A quel prix! Comme bon nombre de constructeurs, Honda pense que la survie de l'automobile passe par le véhicule électrique avec pile à hydrogène. Un système qui présente l'avantage de ne rejeter que de la vapeur d'eau. Il vient donc de commercialiser la FCX, première voiture à hydrogène homologuée, en Californie et au Japon. But de l'opération : engranger enseignements et expérience, tant sur le véhicule que sur les stations-service qui distribuent ce fameux gaz. Conçue sur une base d'EV-Plus (lire ci-dessous), la FCX reçoit, en juillet 2002, l'autorisation d'être commercialisée. La FCX est en fait un V4-Plus fonctionnant avec 152 l d'hydrogène assurant 355 km d'autonomie et 150 km/h en vitesse de pointe. Le moteur électrique gagne aussi en puissance et en couple (272 Nm). En plus, le coffre a, comme par enchantement, encore gagné 4 l ! Extérieurement, la FCX ressemble à une EV-Plus électrique de série. Seule sa partie basse a pris de l'ampleur : 5,5 cm de plus à l'avant et 6,5 cm à l'arrière, l'empattement restant identique (2,53 m). C'est là, entre les deux essieux, dans un double plancher, que Honda a installé la pile. Avec 400 éléments, elle développe 78 kW sous 400 volts. L'hydrogène provient de deux bouteilles, de 88 l et 64 l, logées entre les roues arrière, l'oxygène étant fourni par de l'air comprimé à 3 bars par un compresseur à vis. Ce dernier est monté sur Silentblocs et doté d'un silencieux pour le meilleur confort possible. Juste sous le capot, le calculateur gère la partie électrique et le moteur. Pouvant atteindre 11 000 tours, il procure 60 kW et est doté d'une transmission à double réducteur. Toutefois, l'arme secrète de la FCX est accrochée au dossier de la banquette arrière : les supercondensateurs, des enroulements d'aluminium et de carbone capables de fournir 40 kW pendant quelques dizaines de seconde, et plus vite que n'importe quelle batterie. Au lever de pied ou au freinage, lorsque le moteur devient alternateur, ils récupèrent 100 % d'énergie pour stimuler l'accélération suivante. Tout cela ne pèse que 68 kg ! Grâce à cela, la FCX domine les débats en accélérations et en reprises. Opel se contente, pour sa part, d'une pile en direct sur son Zafira, Mercedes a abandonné cette configuration pour ajouter une batterie à ses modèles Necar. Ford et Toyota aussi. On est loin du compte. La FCX est de fait, et de loin, la meilleure voiture à hydrogène du moment, la plus au point, la seule qui montre une finition et des performances dignes d'un modèle de série. Dans son usine de Tochigi, Honda construit une ou deux FCX par mois. Au total, trente exemplaires seront fabriqués, et longuement vérifier en Californie et au Japon. "Le but n'est pas de tester la fiabilité des voitures", assure Yozo Kami, patron du projet. "C'est vrai que nous ne la connaissons pas, mais nous pourrions le faire sur circuit. Ce qui nous intéresse, c'est de voir comment la FCX s'intègre à la circulation, à la société, et puis de rassurer tout le monde sur ses performances, sa fiabilité, sa sécurité et celle de la station-service". Voilà pourquoi des FCX rouleront au Japon, dans la préfecture de Kanto (Tokyo), tandis que cinq autres vont être mises à la disposition du public par la mairie de Los Angeles. En théorie, n'importe quel Américain peut en acheter une. En fait, il la louera 8000 ì par mois ! Honda avoue qu'il espère les faire rouler dans des collectivités et qu'un utilisateur privé devra la médiatiser au maximum pour pouvoir la conduire ! Alors, avis aux VIP, aux vedettes d'Hollywood et d'ailleurs. Honda semble prêt à tout pour faire connaître sa merveille à hydrogène. Malheureusement, elle possède quelques défauts gênants. D'abord, son prix, qui égale celui de 100 voitures compactes, et ensuite son poids. "Un groupe motopropulseur à essence pèse 200 kg, celui de la FCX, 600 kg : tout est là !", soupire Yozo Kami. En outre, si le rendement énergétique de 45 % est excellent par rapport aux 25 % des modèles hybrides et aux 20 % des moteurs thermiques, rien ne va plus dès que l'on chiffre les consommations. Avec 50 miles par gallon (NDLR : un gallon d'essence correspond à 1 kg d'hydrogène), la trop lourde FCX est cette fois talonnée par l'hybride, qui réalise 47 miles par gallon, puis par l'essence qui se situe à 32, et le gaz naturel à 29. Premier enseignement : l'hybridation est une bonne solution ! Ensuite, il faut alléger et baisser les coûts de la voiture. Honda y ajoute une troisième obligation : pouvoir rouler par n'importe quelle température car, aujourd'hui, la pile ne démarre pas en dessous de O °C ! Voilà pourquoi Honda développe ses propres produits qui évitent à l'eau de geler dans la pile, et qui devraient encore fonctionner à — 20 °C. Autant dire que, si une FCX est vive, confortable et à l'aise dans la circulation urbaine, il reste du pain sur la planche avant qu'un véhicule à hydrogène soit disponible à un prix viable. L'ampleur de la tâche n'effraie cependant pas Honda qui mise sur un produit fini en 2020. Au volant La FCX n'est jamais qu'une voiture électrique dont on a remplacé les batteries par une pile. Elle dispose d'une boîte de vitesses simplifiée (type avant-arrière) et de toutes les assistances électriques, climatisation et eau chaude du chauffage, direction à assistance variable, ABS... Avec une répartition entre l'avant et l'arrière du poids à 55/45, et un train arrière multibras, la FCX offre une remarquable tenue de route. En dépit de son poids, elle prend peu de roulis et reste confortable sur mauvais revêtement. Il ne faut pourtant pas la brusquer car les pneus à basse résistance de Yokohama sont limités en adhérence. Si, au feu vert, la FCX laisse les autres sur place, la prise de vitesse ralentit au-delà des 70 km/h. Ensuite, on "rame" dès les 110 km/h atteint, même si l'on peut finalement approcher les 140 km/h. A l'aise en ville, la FCX serait donc franchement à la peine sur les routes et les autoroutes. Le plein, mode d'emploi Si la location d'une FCX n'est pas à la portée de tout le monde (8000 ì par mois, soit le prix d'une petite voiture), le carburant est gratuit. En effet, les deux partenaires spécialistes des gaz industriels, Air Products aux Etats-Unis et lwatani au Japon, l'offrent dans le but de tester leurs stations-service. Celle, expérimentale, de Yokohama délivre ainsi de l'hydrogène à 250 ou à 350 bars et n'est pas spécialement isolée des autres bâtiments. Dangereux, le produit doit être réservé à un professionnel très entraîné. Même si elle lui ressemble beaucoup, la pompe est encore plus complexe que celles dédiées au GPL parce que la FCX possède deux trappes. - La première permet de fixer un fil de masse destiné à éviter qu'une étincelle due à l'électricité statique ne vienne enflammer l'hydrogène ! - Une fois fixé le câble de masse, la seconde trappe s'ouvre. Cette fois, on y enfonce le pistolet, qui se verrouille sur la goulotte du réservoir. Un robinet permet de libérer l'hydrogène, qui remplit alors les deux bouteilles, 152 l au total, soit 42 m3 ou 3,75 kg de gaz. - Complexe et lourd, le matériel de remplissage est équilibré par un système de contrepoids. Lorsque le plein est terminé et la pression maximale, la pompe s'arrête. L'opération dure de cinq à six minutes, comme pour du GPL Un haut niveau de sécurité Pour la sécurité de la FCX, Honda a pris toutes les précautions. Les réservoirs d'hydrogène sont en aluminium, étanches au gaz et entourés d'un épais bobinage en fibre de carbone pour résister aux fortes pressions (350 bars). Ce revêtement est protégé par un bobinage en fibres de verre noyé dans de la résine. Pour les isoler des chocs, les bouteilles sont fixées par des sangles métalliques sur un cadre placé dans le châssis entre les roues arrière. En cas d'incendie, une valve s'ouvre et libère le gaz pour éviter l'explosion. A l'avant, le calculateur électronique a été reculé au maximum : en cas de choc, les câbles électriques à haute tension ne risquent pas de provoquer un court-circuit. Les demi-châssis avant et arrière sont en aluminium et les plus rectilignes possibles afin de bien résister aux collisions. Ils sont reliés par des entretoises, une solution très coûteuse mais idéale pour la sécurité. Honda a également isolé l'habitacle et placé des détecteurs alertant le conducteur en cas de fuite. Ils déclenchent une ventilation et coupent l'arrivée d'hydrogène. Aux épreuves des crash tests classiques, Honda a rajouté la torture du gué. L'eau ne doit pas pénétrer dans le soubassement, ce qui pourrait provoquer des courts-circuits dans le compartiment de la pile. Installée entre les longerons, la pile est insensible aux chocs latéraux. Améliorations progressives Depuis quelques années, les prototypes de véhicules propres se succèdent chez Honda. En 1999 apparaît ainsi un véhicule électrique baptisé EV-Plus, puis le constructeur commercialise deux modèles hybrides, l'Insight et la Civic. Son catalogue est également riche d'une Civic-GX fonctionnant au gaz naturel. De 1999 à 2001, Honda multiplie les essais. D'abord, le FCV 1, Un EV-Plus qui a troqué ses batteries nickel-hybride contre une pile à combustible de 49 kW. Le carburant y est stocké sous forme d'hydrures, sortes de petites "éponges" métalliques. Lourd, lent à recharger et volumineux - il ne laisse que deux places dans la voiture - ce projet débouche sur un échec. Le FCV 2, lui, s'alimente au méthanol transformé en hydrogène par un reformeur. Si c'est un peu moins lourd, c'est tout aussi encombrant. En plus, il faut attendre de cinq à dix minutes pour démarrer : "Inadmissible pour le client", selon l'ingénieur Yozo Kami, patron du projet. En 2000, les choses sérieuses commencent avec le V3. Deux piles de 60 kW — une Ballard et une Honda — sont mises en concurrence. Grâce aux piles miniaturisées et à la compression et à ses quatre vraies places (130 km/h, 180 km d'autonomie), la Californie et le Japon l'autorisent à rouler. En septembre 2001 enfin, une version améliorée est lancée le V4. Celui-là pointe à 140 km/h, offre 98 l de coffre et 315 km d'autonomie grâce à 137 l de H2 comprimé à 350 bars. Comme le V3, il a remplacé ses batteries d'appoint par des supercondensateurs.

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Lada Antel 2
(Mondial de l'Automobile, Paris, 10.2004)

La Lada Antel 2 est un prototype de véhicule équipé d'un groupe électrogène à piles à combustible. La base du groupe électrogène est un générateur alcalin d'hydrogène-d'air électrochimique. La capacité de transformation de l'énergie chimique en électricité au générateur est de 60 % en moyenne. Le combustible (hydrogène) est conservé dans des bouteilles spéciales à haute pression (40 mPa), assurant une autonomie de 350 km. Les piles à combustible sont alimentées par de l'air épuré de son gaz carbonique via un compresseur dont le débit atteint 100 kg/h sous une pression de 0.33 mPa. Les roues sont entraînées par un moteur électrique de 60 kW au rendement supérieur à 90% et pesant 32 kg. Le groupe électrogène comprend une batterie tampon en nickel-métal-hydrures à haute capacité d'absorption qui fonctionne conjointement avec le générateur électrochimique pour améliorer les performances du véhicule à l'accélération. La batterie se recharge au freinage par récupération de l'énergie cinétique. En outre, la batterie est utilisée pour le réchauffage et le démarrage du générateur électrochimique. La Lada Antel 2 est dérivée de la Lada 111 break. Tous les ensembles du groupe électrogène et du système de commande sont installés dans le compartiment moteur et sous le plancher, ce qui permet de placer 5 personnes dans l'habitacle et de conserver son plein volume au coffre à bagages. Caractéristiques techniques Nombre de places : 2 Dimensions : longueur 4284 mm, largeur 1676 mm, hauteur 1495 mm Poids à vide en ordre de marche 1280 kg, poids total roulant (MTR) : 1660 kg Capacité du coffre à bagages : 350 dm3 Vitesse maxi : 100 km/h Autonomie de marche : 350 km Générateur électrochimique hydrogène-air Tension de sortie 240 V, puissance maxi : 25 kW Carburant hydrogène, réserve de carburant 2.4 kg; capacité des bouteilles d'hydrogène 90 l Moteur électrique à courant alternatif Puissance maxi 60 kW, couple maxi 280 Nm, régime 10 000 tr/mn Poids du moteur : 32 kg Système de commande du moteur électrique à transistors

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Le Peugeot Quark
Un concentré d'innovation au service de l'environnement
(source Peugeot, Mondial de l'Automobile, Paris, 10.2004)

Avec pour toute énergie une pile à combustible à base d'hydrogène, le concept car Quark, révolutionnaire, préfigure les technologies qu'utiliseront les moyens de transport de demain. Une fois de plus, le dynamisme et l'innovation de Peugeot vont vous conduire très loin. Un concept-car futuriste Tout droit sorti d'un film de science-fiction, le concept-car Quark attire incontestablement le regard. Et pas seulement à cause de son look futuriste ! La technologie qu'il met en oeuvre est si innovante, si inventive, qu'elle s'adresse à l'imagination, qu'elle excite la curiosité et suscite quantité d'interrogations. La "miniaturisation" de la pile à combustible Peugeot, totalement investie dans ces technologies futures sans émissions polluantes locales, travaille depuis plusieurs années sur la technologie de la pile à combustible (PAC).Après avoir dévoilé le résultat de ses travaux à travers deux prototypes, Taxi PAC en 2001 et H2O en 2002, Peugeot innove encore avec Quark. Le stockage de l'hydrogène, son encombrement, l'autonomie qu'il autorise, sont autant de défis à relever. Ainsi, dans cet exercice, il s'agissait de simplifier et de compacter au maximum le principe de la pile à combustible. Les petites dimensions du Quark prouvent que cet objectif a été largement atteint sans porter atteinte à son autonomie et tout en préservant des performances suffisantes. Les innovations du Quark Le Quark innove et gagne sur toute la ligne ! Doté dans chaque roue d'un moteur électrique, un calculateur électronique pilote les quatre moteurs indépendamment les uns des autres. Quant à l'hydrogène, il est stocké dans une seule bouteille, avec une pression de 700 bars (contre 350 pour le Taxi PAC) qui offre une plus grande autonomie. Et le refroidissement de la pile se fait par air - et non par eau -, ce qui simplifie considérablement le système. Enfin, devant le guidon, un petit écran, une Interface Communicante Amovible, fournit toutes les informations relatives à son fonctionnement, permet la navigation par satellite, fait office de téléphone Bluetooth et de lecteur MP3, et sert d'antivol et de démarreur puisque sans lui le véhicule ne peut fonctionner ! Que demander de plus ! Synoptique de la chaîne de traction 1. Moteurs électriques - 2. Batterie de puissance - 3. Contrôleur de puissance - 4. Pile à combustible 5. Convertisseur pile à combustible - 6. Calculateur pile à combustible 7. Réservoir d'hydrogène à haute pression - 8. Calculateur véhicule Chaîne de traction du Quark Pour fonctionner, une pile à combustible a besoin d'hydrogène et d'oxygène. L'oxygène est puisé dans l'air alors que l'hydrogène est stocké à bord sous forme gazeuse, liquide ou chimique. L'association de l'hydrogène et de l'oxygène entraîne une réaction électrochimique provoquant un déplacement des électrons qui produit simultanément de l'eau, de la chaleur et, surtout, de l'électricité. Dans la continuité de Taxi PAC et H2O, quark fonctionne en mode "range extender", c'est-à-dire "voiture électrique à prolongation d'autonomie". L'énergie issue de l'hydrogène vient ainsi compléter l'énergie électrique des batteries.

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Présentation de GENEPAC (GENérateur Electrique à Pile A Combustible)
première pile à combustible issue du partenariat
entre PSA Peugeot Citroën et le CEA
(Communiqué de presse PSA, lundi 9 janvier 2006)

Jean-Martin Folz, Président de PSA Peugeot Citroën et Alain Bugat, Administrateur Général du CEA ont présenté une nouvelle pile à combustible, en présence du Ministre de l’Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, Gilles de Robien. Conçue en partenariat par PSA Peugeot Citroën et le CEA dans le cadre du projet GENEPAC, cette pile présente des performances et une compacité au meilleur niveau mondial. L’objectif poursuivi par les deux partenaires était de concevoir et réaliser un système pile à combustible compact, modulable et efficace, d’une puissance pouvant aller jusqu’à 80 kW, et compatible avec les contraintes techniques spécifiques d’une automobile. Le groupe PSA Peugeot Citroën a décidé de se doter de ses propres moyens de recherche sur cette technologie d’avenir et inaugure aujourd’hui l’unité pile à combustible du Centre de Recherche de Carrières sous Poissy. Cette unité est totalement dédiée aux études sur la pile à combustible, aux technologies associées et à l’intégration du système pile dans un véhicule. Compte tenu des coûts importants liés au développement de la technologie, le groupe mise sur une intégration à long terme et progressive de la pile à combustible dans l’automobile, en privilégiant dans une première phase les flottes de véhicules de livraison en ville. PSA Peugeot Citroën développe à cet effet une approche originale de véhicules électriques disposant d’un "range extender", constitué d’une pile à combustible alimentée en hydrogène. Pour concevoir, développer et fabriquer la pile à combustible du projet GENEPAC, le CEA est parti des spécifications définies par le groupe PSA Peugeot Citroën et s’est appuyé sur près de dix années d’expérience dans le domaine. Le CEA est en effet le seul organisme de recherche français dont les travaux couvrent toute la filière hydrogène (production, stockage, réglementation et utilisation pour le transport). Pour les piles à combustible, il étudie l’ensemble des mécanismes déterminant les performances, le vieillissement et la dégradation des piles, pour proposer des solutions techniques innovantes. La recherche sur la filière hydrogène illustre l’investissement important du CEA dans les nouvelles technologies de l’énergie (NTE). GENEPAC : PSA Peugeot Citroën et le CEA relèvent le défi de la pile à combustible pour l'automobile Dans le secteur des transports, les contraintes liées au pétrole comme source d’énergie deviennent de plus en plus importantes : coût, diminution de la ressource, impact sur l’effet de serre. Dans ce contexte, l’utilisation de l’hydrogène via une pile à combustible apparaît comme l’une des solutions les plus crédibles pour l’avenir du fait de l’absence de rejet polluant sur le lieu d’utilisation. En matière d’émission de CO2, l’efficacité de la filière PAC résulte du rendement très élevé du système pile et potentiellement d’une filière de production et de distribution d’hydrogène peu émissive en gaz à effet de serre, qui reste à créer. Ce constat a amené le CEA et PSA Peugeot Citroën à s’associer en 2002 dans le projet GENEPAC (GENérateur Electrique à Pile A Combustible). Cette collaboration a permis la mise au point et l’expérimentation à la fin de l’année 2005 de la pile à combustible la plus puissante et la plus compacte jamais développée en France. Projet cofinancé à l’époque par le réseau national PAC (Pile à combustible), qui a laissé place fin 2004 au réseau PAN-H (Plan d’Action National sur l’Hydrogène et les piles combustible) La pile à combustible, énergie d’avenir pour les transports L’association d’une pile à combustible de type PEMFC et de l’hydrogène comme vecteur d’énergie dans les transports est particulièrement prometteuse. La pile à combustible fournit de l’électricité, n’émettant que de l’eau comme sous -produit à l’exclusion de tout polluant atmosphérique et de CO2. Le véhicule, propulsé par des moteurs électriques, est très silencieux. Le rendement énergétique global, une fois optimisé, est supérieur à ce que peuvent offrir les moteurs classiques essence ou diesel. L’autonomie du véhicule dépend de la capacité du stockage embarqué d’hydrogène. Enfin, le temps de remplissage du réservoir d’hydrogène est comparable à celui des véhicules thermiques. PEMFC, pile à combustible à membrane échangeuse de protons, fonctionnant à basse température et adaptée aux applications transports – à distinguer de la pile à oxyde solide (SOFC), fonctionnant à haute température et destinée aux applications stationnaires. En parallèle à la recherche sur l’amont de la filière hydrogène (production de l’hydrogène, distribution jusqu’aux stations services, stockage embarqué dans les véhicules), les programmes dédiés à la pile à combustible visent à développer une technologie compacte et fiable à un coût compatible avec l’application automobile. Les trois impératifs que sont la compacité, la fiabilité et le coût sont particulièrement contraignants dans le cas des véhicules automobiles. D’ores et déjà, le projet GENEPAC a permis de franchir quelques étapes essentielles. GENEPAC : relever le défi de la performance et de la compacité Le projet GENEPAC a pour principal objectif la réalisation d’un système pile à combustible compact et efficace, compatible avec le cahier des charges de l’automobile. PSA Peugeot Citroën et le CEA ont associé leurs compétences pour concevoir et réaliser la pile. Le projet consistait essentiellement à définir, réaliser et tester sur banc d’essai un système pile à combustible de 80 kW alimenté en hydrogène, pour application automobile. Les objectifs techniques s’expriment en termes de puissance électrique, rendement énergétique du système et compacité de la pile, et GENEPAC offre des performances au meilleur niveau mondial : · Rendement énergétique du système pile 45% (Puissance maximale de la pile à combustible). · Compacité : densité de puissance volumique et massique de la pile, dans les conditions de fonctionnement du système à puissance maximale : 1,5 kW / litre et 1 kW / kg. La mise en oeuvre de la technologie sélectionnée a nécessité 2 ans de travail de conception, portant principalement sur l’élément le plus lourd et le plus volumineux de l’assemblage : la plaque bipolaire. Celle-ci assure à la fois la distribution des réactifs, l’évacuation des produits, l’échange thermique avec le fluide caloporteur, la collecte du courant électrique et joue un rôle important dans la tenue mécanique de l’ensemble, notamment pour garantir les étanchéités. L’enjeu était de réduire drastiquement la masse et le volume des plaques bipolaires classiques en graphite usiné, cela a été possible par l’utilisation d’acier en feuilles minces, embouties et soudées. Le développement de la pile a conduit le CEA à mettre en oeuvre avec PSA Peugeot Citroën de nouveaux bancs d’essais permettant de découpler les phénomènes rencontrés dans une pile à combustible (thermique, hydraulique, mécanique, etc.). Ces bancs sont venus renforcer les capacités d’essais existantes mobilisées pour le projet au CEA et chez PSA Peugeot Citroën. Ceci a permis de faire progresser les outils numériques dédiés au dimensionnement de piles, qui ont été utilisés avec succès dans le cadre de ce projet. La réalisation a été effectuée en deux étapes : la première a abouti à l’assemblage d’une pile de 20 kW fin 2004, destinée à la validation des choix de conception. La deuxième étape a conduit à la réalisation en septembre 2005 de la pile de 80 kW qui sera intégrée dans le module de puissance GENEPAC. Le partenariat entre PSA Peugeot Citroën et le CEA s’ouvre sur d’autres développements Par la mobilisation du savoir-faire commun de PSA Peugeot Citroën et du CEA dans le dimensionnement des piles à combustible et par de nombreuses innovations portant notamment sur le design, la réalisation et l’assemblage des plaques bipolaires métalliques, la pile à combustible GENEPAC atteint le meilleur niveau mondial en compacité, rendant ainsi envisageable son intégration dans un véhicule. Au-delà des objectifs définis pour le projet GENEPAC, le partenariat entre le CEA et PSA Peugeot Citroën permet des développements sur les autres thème prioritaires de la filière hydrogène/pile à combustible, en particulier la fiabilité et le coût. La compacité de la pile à combustible, préalable à sa possible intégration dans un véhicule, doit nécessairement s’accompagner de la compacité du système qui lui permet de fonctionner (alimentations en gaz hydrogène et air, humidification des gaz et compression, système de refroidissement, etc.). La fiabilisation du système est un enjeu parallèle. Ces deux défis font l’objet du projet FYSIPAC, retenu à l’automne 2005 par le programme PAN-H de l’Agence Nationale de la Recherche. Les piles à combustibles produisant de l’eau, leur démarrage et leur utilisation par grand froid sont actuellement des défis majeurs auxquels doit répondre le projet MEPHISTO, également soutenu par le programme PAN-H et qui impliquera le laboratoire de Belfort sur les systèmes à piles à combustibles. Ce nouveau laboratoire, associant le CEA, l’INRETS, le CNRS, l’Université de Franche-Comté, l’Université Technologique de Belfort-Montbéliard ainsi que l’Université Henri Poincaré de Nancy, vient d’être créé en décembre 2005. Son principal objectif est d’étudier l’intégration et le vieillissement des piles à combustible dans les transports, en utilisant notamment la plate-forme d’essais de Belfort. La filière hydrogène au CEA : Un axe majeur des nouvelles technologies de l’énergie (NTE) Le CEA, organisme public de recherche technologique, exerce ses missions dans les domaines de l'énergie, des technologies pour l'information et la santé, et de la Défense, en s'appuyant sur une recherche fondamentale d'excellence. Fort des compétences de ses 15 000 chercheurs et collaborateurs, il est internationalement reconnu et constitue une force de propositions pour les pouvoirs publics, les institutions et les industriels français et européens. Répondre aux besoins croissants en énergie, garantir la sécurité d’approvisionnement et réduire les émissions de gaz à effet de serre représentent les défis énergétiques internationaux d’aujourd’hui. Pour les relever, le CEA s’engage dans le développement des nouvelles technologies de l’énergie (NTE). En France, où la consommation en énergie primaire reste encore majoritairement d’origine fossile (58% fossile, 34% nucléaire, 8% renouvelables), les conclusions du débat national de 2003 sur les énergies ont montré le nécessaire déploiement de ces nouvelles technologies. Les deux secteurs d’activités en croissance les plus consommateurs d’énergies fossiles et émetteurs de gaz à effet de serre sont le transport et le bâtiment. Focalisant son action sur ces secteurs prioritaires, le CEA a choisi une approche globale des filières " hydrogène, pile à combustible et biomasse", principalement pour les transports, et " solaire photovoltaïque et maîtrise de l’énergie " pour le bâtiment. Une approche globale de la filière hydrogène Le programme de R&D du CEA vise à faire de l'hydrogène un véritable vecteur d'énergie et couvre toute la filière : production par des procédés propres haute température et de gazéification de la biomasse, stockage par des technologies innovantes, distribution, conversion par des piles à combustible de type PEMFC (à membranes échangeuses de protons) ou SOFC (à oxydes solides), sûreté, aspects technico-sociaux-économiques. L’approche globale visée par le CEA amène à distinguer 3 phases de recherches sur la filière hydrogène : - Production - Infrastructure - Conversion en énergie - La production massive d’hydrogène L’hydrogène n’est pas une source d’énergie en soi. Ce vecteur doit d’abord être produit à partir des trois grandes sources primaires d’énergie : fossiles, nucléaire, renouvelables. Si la production d’hydrogène à partir d’hydrocarbures avec séquestration de CO2 est légitime à court/moyen terme, il faut développer d’autres procédés sûrs, peu ou pas émetteurs de gaz à effet de serre pour respecter les critères de développement durable. Deux de ces procédés sont étudiés au CEA : la décomposition de l’eau, par électrolyse ou réactions chimiques à haute température (la chaleur pouvant être produite par des réacteurs nucléaires, ou des sources de chaleurs renouvelables comme le solaire), et la décomposition thermochimique de la biomasse. Le CEA évalue aussi les autres voies innovantes de production de l’hydrogène (photoélectrochimie, photobiologie…) et pourrait donc faire émerger de nouveaux programmes de R&D dans ce domaine. - Infrastructure : distribution et stockage de l’hydrogène Mettre en place une économie de l’hydrogène suppose qu’il soit disponible à tout moment et en tout point du territoire. Mettre au point des modes de transport, de stockage (notamment à bord des véhicules) et de distribution efficaces représente donc un enjeu crucial. Le CEA étudie deux grands modes de stockage de l’hydrogène : - Le stockage gazeux haute pression s’effectue dans des conteneurs composites dont l’enveloppe interne est soit métallique soit polymère, matériaux qui présentent l’intérêt d’être légers, étanches au gaz et résistants aux fortes pressions. - Le stockage basse pression en phase solide consiste à absorber l’hydrogène dans des matériaux, ce qui présente des avantages de sûreté et de compacité. Après la qualification de réservoirs à enveloppe interne métallique sous une pression de 700 bars en 2001, le CEA a obtenu en 2003 et 2004 des résultats prometteurs sur des réservoirs dont l’enveloppe intérieure est en polymère. - La pile à combustible Qui dit vecteur énergétique, dit convertisseur. Le principe de la pile à combustible est simple : créer simultanément de l’électricité, de la chaleur et de l'eau en recombinant de l’oxygène et de l’hydrogène. Il existe deux technologies de piles à combustible : les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC) et les piles à oxydes solides (SOFC), dont les applications sont complémentaires et les contraintes très différentes. Le CEA est impliqué sur ces deux technologies, avec pour objectif de proposer aux industriels des solutions technologiques originales. Pour ce faire, le CEA étudie l’ensemble des mécanismes déterminant les performances, le vieillissement et les dégradations des piles. Cette maîtrise lui permet de développer des technologies de rupture pour chaque composant des piles (membranes, assemblage membrane-électrodes, plaques bipolaires…), ainsi que de proposer des architectures d’ensemble innovantes. La pile à combustible dans le domaine des transports fait l’objet d’un partenariat de recherche entre le CEA et PSA. Par ailleurs, le CEA prépare des solutions technologiques pour le plus long terme, dans le but d’avancer encore sur la voie de la commercialisation de véhicules à piles à combustibles. On peut notamment citer des membranes résistant à une température supérieure à 100°C, qui permettront de simplifier le système de refroidissement de la pile à combustible, ou des procédés en continu de réalisation des assemblages membrane-électrodes, véritable cœur des piles à combustibles, contenant moins de platine pour en réduire le coût. Un programme au carrefour de la recherche et de l’industrie Le CEA est un des rares acteurs dont la R&D couvre l’ensemble des composantes de la filière hydrogène. Cela lui octroie une reconnaissance sur la scène mondiale de l’hydrogène. Le CEA participe depuis son lancement à la plate-forme technologique européenne sur les piles à combustibles et l’hydrogène ainsi qu’aux comités de l’accord international pour l’économie de l’hydrogène (IPHE) signé par la France en novembre 2003. Il représente également la France à l’Agence internationale de l’énergie (AIE), qui a signé les accords hydrogène et pile à combustible. Enfin, le CEA s’est engagé dans le projet technico et socio-économique européen HyWays, coordonné par le consultant allemand LBST, qui vise à développer la " feuille de route " (roadmap) européenne de l’hydrogène énergie. Les travaux sont réalisés par un grand nombre d’équipes de recherche situées sur les différents sites du CEA. Une équipe de direction assure le pilotage du programme " hydrogène, piles à combustible et biomasse ". Le programme mobilise notamment les compétences du LITEN (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux), majoritairement implanté à Grenoble. L’originalité du CEA est d’allier une recherche technologique sur le court terme et une recherche fondamentale porteuse de ruptures qui lui permettent de conduire efficacement son programme en partenariat avec des industriels et des laboratoires de recherche, dans le cadre de collaborations nationales, européennes et internationales. S’agissant des applications transport, les recherches menées au CEA sur les PEMFC sont conduites dans le cadre d’un partenariat privilégié avec PSA et aboutissent à un système de référence de pile à combustible de puissance, vis-à-vis des concurrents internationaux, à la fin de l’année 2005.