Piles à combustible appliquées à la mobilité électrique - La mobilité hydrogène

1 - Notions de base

• 1.1 - Différents types de pile
  Figure 4 - Évolution du chargement en platine et des performances au cours des dernières décennies (d’après [4]) Tableau 1
• 1.2 - Architecture des piles à combustible
  Figure 5 - Configuration filtre-presse d’un empilement de pile à combustible (exemple d’une PEMFC)

2 - Générateur électrique embarqué pile à combustible PEMFC dédié à la mobilité

• 2.1 - Système global
  Figure 6 - Schéma de principe d’un système à pile à combustible Figure 7 - Courbe de polarisation et rendements correspondants Figure 8 - Évolution du rendement de la cellule au système pour un empilement simulé de 100 cellules de 200 cm2, fonctionnant avec un compresseur d’air Figure 9 - Évolution simulée de la courbe de polarisation d’une cellule de pile fonctionnant à 1,5 bar pour différentes températures Figure 10 - Évolution simulée de la courbe de polarisation d’une cellule de pile fonctionnant à 80 °C, à différentes pressions d’hydrogène et d’oxygène Figure 11 - Évolution de l’énergie nécessaire à la compression (exprimée en pourcentage du pouvoir calorifique inférieur) en fonction de la pression et du rapport à la stœchiométrie en oxygène Tableau 2 Tableau 3
• 2.2 - Architecture d’un groupe électrogène à pile à combustible
  Figure 12 - Cycles routiers normalisés, NEDC (New European Driving Cycle) et WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) Figure 13 - Profils de vitesse et de puissance suivant un cycle NEDC pour un véhicule de 2 000 kg Figure 14 - Performances de systèmes de piles à combustible H2/air équipant les véhicules Focus FCV et Necar 4 ADV, fonctionnant entre 70 et 85 °C de température de cellule et entre 1 et 4 bar absolus pour les réactifs (d’après shttp://www.fuelcelltoday.com/) Figure 15 - Performances de systèmes de piles à combustible méthanol/air (incluant un reformeur) équipant les véhicules Premacy FC-EV et Necar 5, fonctionnant entre 70 et 85 °C de température de cellule et entre 1 et 6 bar absolus pour les réactifs Figure 16 - Nœud électrique d’un système PAC hybridé par une batterie de puissance
• 2.3 - La pile

3 - Le vecteur hydrogène pour les transports

• 3.1 - Stockage d’hydrogène
  Figure 17 - Schéma de coupe d’un réservoir d’hydrogène type IV Tableau 5 Tableau 6
• 3.2 - Production embarquée d’hydrogène
  Figure 18 - Étapes du vaporeformage du méthanol avec une unité d’oxydation préférentielle Figure 19 - Étapes de l’oxydation partielle d’un hydrocarbure Figure 20 - Étapes du reformage autotherme du méthanol Tableau 7 Tableau 8
• 3.3 - Distribution de combustible (infrastructure)/avitaillement des véhicules hydrogène
  Figure 21 - Filière hydrogène possible partant de la production jusqu’aux consommateurs (d’après document interne CEA) Figure 22 - Stockage (TWh) à installer en fonction du taux ENR (d'après [14]) Figure 23 - Réseau hydrogène Air Liquide du nord de l’Europe (source Alphéa et AFH2)

4 - Véhicules pile à hydrogène commercialisés

• 4.1 - Automobile et utilitaires légers
  Figure 25 - Toyota Mirai FCV, Hyundai ix35 et Nexo
• 4.2 - Véhicules industriels (poids lourds)
  Figure 26 - Architecture d’un camion PAC Tableau 9
• 4.3 - Bus et car
  Figure 27 - Schéma des composants d'un bus à pile à hydrogène : modèle Businova de Safra pour le SMTAG
• 4.4 - Train

5 - Aspects environnementaux et énergétiques

• 5.1 - Production et distribution de l’hydrogène
• 5.2 - Usage du véhicule, considérations énergétiques
  Figure 28 - Comparaison efficacité batterie versus pile à hydrogène (d'après AT&ME) Figure 29 - Consommation énergétique pour différentes technologies de motorisation (d'après AT&ME) Figure 30 - Composition matière d’un réservoir d’hydrogène
• 5.3 - Seconde vie, recyclage et valorisation pour les véhicules à hydrogène
• 5.4 - Analyse de cycle de vie du véhicule léger (ACV)
  Figure 31 - Analyse de cycle de vie de véhicules légers par Carbone 4 (ACV) Figure 32 - Impact du transport de l’hydrogène sur les émissions de CO2 (d'après [9])
• 5.5 - ACV poids lourds
  Figure 33 - Analyse de cycle de vie (ACV) poids lourds 40 tonnes (source étude France stratégie 2020)
• 5.6 - ACV bus
  Figure 34 - Comparaison des émissions CO2/km des bus (source étude France stratégie 2020)

6 - Aspects économiques

• 6.1 - Coûts du système pile à combustible
  Figure 35 - Répartition des coûts d’une cellule de pile et du système pour 80 kW (d'après France Hydrogène)
• 6.2 - Coûts pour les véhicules légers
  Figure 36 - Estimation et projection des coûts d’un système PAC de 100 kW par le DOE (Department Of Energy – États-Unis) Figure 37 - Projection des coûts des technologies comparées au moteur essence (d'après [13]) Figure 38 - Comparaison du coût du générateur embarqué en fonction de l’énergie embarquée pour générateur pile à hydrogène (PAC) et batterie (d'après AT&ME)
• 6.3 - Coûts pour les véhicules lourds
  Figure 39 - Évolution des coûts des motorisations pour les poids lourd longue distance (d'après [15])
• 6.4 - Coûts des stations d’avitaillement en hydrogène
• 6.5 - Coût complet d’usage des véhicules PAC
  Figure 40 - Estimation des ventes de véhicules légers en Europe (d'après simulation mix motorisation BIPE/PFA) Figure 41 - Coût total de possession pour un SUV utilisé aux États-Unis en 2030 (Source Bloomberg NEF) Figure 42 - Coût de possession annuel de bus sur une ligne 250 km/jour (d'après [8])

7 - Engagement des états

• 7.1 - Europe
• 7.2 - France
  Figure 43 - Évolutions des marchés prévus en France (source The International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy IPHE)
• 7.3 - Allemagne
  Figure 44 - Évolutions des marchés prévus en Allemagne (source The International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy – IPHE)
• 7.4 - Japon
  Figure 45 - Évolution des marchés prévus au Japon (source The International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy – IPHE)
• 7.5 - Chine
  Figure 46 - Évolution des marchés prévus en Chine (source The International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy – IPHE)
• 7.6 - États-Unis
  Figure 47 - Vision schématique du programme H2@scale Figure 48 - Évolution des marchés prévus aux États-Unis (source The International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy – IPHE)

8 - Conclusion

9 - Sigles, notations et symboles