Du concept à la validation.

Les émissions élevées des transports routiers tels les poids lourds sont aujourd’hui une priorité pour la recherche et le développement. D’importants programmes sont en cours pour la mise en œuvre de groupes motopropulseurs à émissions faibles ou nulles. Il faut considérer non seulement la réduction des émissions moyennes de CO2 de la flotte, mais aussi l’efficacité, la durabilité, la fiabilité et le coût total de possession (TCO) du système pour trouver des alternatives compétitives aux moteurs à combustion dans le transport de type poids lourd.

La solution électrique pure pour les poids lourds, n’est pas encore une option viable, car de grosses batteries sont nécessaires, ce qui entraîne un poids élevé du groupe motopropulseur, une demande de puissance accrue et une charge utile réduite. C’est pourquoi les piles à combustible à membrane d’échange de protons (PEMFC selon l’acronyme anglais: Proton-exchange membrane fuel cells) en combinaison avec des batteries plus petites représentent une approche prometteuse pour les véhicules lourds à propulsion électrique.

L’Institut des moteurs à combustion (VKA) de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle et FEV Europe Gmbh étudient, entre autres, l’utilisation des PEMFC dans les applications de transport. Afin d’évaluer d’autres groupes motopropulseurs (GMP) pour les véhicules utilitaires, il est important d’étudier le coût total de possession de différents GMP, en tenant compte de différents scénarios de production d’électricité à partir de sources renouvelables, pour prendre des décisions concernant le développement des futurs systèmes de groupes motopropulseurs HD.

Ce qui suit décrit en détail le développement et la validation de systèmes de piles à combustible avec des stratégies d’exploitation avancées pour des applications à haut rendement jusqu’à 250 kW de puissance nette. Les mécanismes de dégradation des piles à combustible et leurs stratégies d’atténuation sont compris pour optimiser la stratégie d’exploitation hybride et pour prouver la durabilité et la fiabilité des systèmes conçus.

Cas d’utilisation des véhicules électriques équipés de pile à combustible

Par rapport aux véhicules électriques à batterie (BEV), les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) permettent d’augmenter la distance de conduite, de réduire le temps de ravitaillement en carburant – comparable à celui des véhicules à moteur diesel ou essence – ainsi que de réduire le poids du groupe motopropulseur et donc la charge utile.

Le choix du GMP le mieux adapté à un cas d’utilisation dépend de plusieurs facteurs tels que les coûts, l’efficacité et la durabilité. Cependant, l’accent doit être mis sur le bénéfice pour le client.

La figure 1 donne un aperçu général des GMP électriques en tenant compte de l’autonomie et du poids du véhicule. En raison de leur rendement élevé, mais aussi de leur faible densité de puissance, les GMP électriques à batterie (BEV) devraient être mieux adaptés aux véhicules utilitaires légers à faible autonomie, dont les trajets quotidiens se font principalement en centre-ville.

Sur une gamme de conduite plus étendue, et notamment sur les poids lourds, les GMP électriques à pile à combustible, complétés par des batteries de petite taille pour la puissance de pointe et la récupération (FC-HEV) devraient être privilégiés, notamment en ce qui concerne le poids total de la chaîne cinématique. La combinaison à une batterie de taille moyenne (PHEV) est l’option la plus prometteuse. La question de savoir où se situe le point d’équilibre entre la puissance du système de pile à combustible et la capacité de la batterie, demeure un sujet de discussion et reste l’un des principaux thèmes de recherche.

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Bien que dans le segment des voitures de tourisme, des quantités plus importantes soient généralement atteintes, les véhicules utilitaires pourraient d’abord connaître une plus grande pénétration du marché des GMP électriques à pile à combustible. Toutefois, par rapport au segment des voitures particulières, la mise en œuvre des systèmes de piles à combustible dans les poids lourds pose de nouveaux défis. L’un des principaux défis à relever est la durée de vie requise d’environ 20 000 heures, qui est presque trois fois plus élevée que pour les véhicules de tourisme.

L’importance du TCO dans le segment des véhicules utilitaires

Le coût total de possession (TCO) a toujours été l’un des principaux facteurs technologiques dans le segment des véhicules utilitaires. Derrière le prix du véhicule et la valeur de revente, les coûts d’exploitation représentent le critère le plus important du TCO. Une étude de FEV, sur le TCO de différents segments de véhicules utilitaires, a analysé divers cas d’utilisation pour déterminer si les GMP diesel classiques, les GMP électriques à batterie ou à pile à combustible, auront le TCO plus bas dans l’avenir. Compte tenu des profils de conduite ciblés, ainsi que des boosters et inhibiteurs de pile à combustible courants, l’étude a abouti à la conclusion que les GMP électriques à pile à combustible devraient être privilégiés, surtout pour les véhicules lourds ayant un kilométrage annuel élevé et des trajets occasionnels > 400 km. En outre, dans les zones à émissions nulles, en particulier dans les régions froides, une politique environnementale rigoureuse, ainsi qu’un prix de l’hydrogène inférieur à 4 €/kgH2 peuvent stimuler la mise en œuvre de systèmes de piles à combustible pour les applications lourdes. Les prix du carburant ont un impact important sur les coûts d’exploitation. En ce qui concerne l’hydrogène en particulier, les coûts et les prix futurs restent incertains en raison de la forte dépendance vis-à-vis du processus de production, de la source d’énergie et de la fiscalité. La figure 2 présente les coûts de l’hydrogène en fonction de la source d’énergie primaire et du procédé de production, ainsi que les coûts du carburant diesel et de plusieurs carburants électroniques prometteurs. Actuellement, la majeure partie de l’hydrogène est produite par reformage à la vapeur (H2 fossile) avec des coûts d’environ 0,6 à 2,9 €/kgH2. La mise en place d’hydrogène vert, produit par électrolyse, entraîne des coûts d’environ 4,5 à 7,3 €/kgH2, si l’énergie éolienne est utilisée comme source d’énergie renouvelable. L’utilisation du photovoltaïque comme source d’énergie renouvelable entraîne des coûts d’environ 7,3 à 10 €/kgH2. Étant donné que la production de la plupart des carburants électroniques nécessite de l’hydrogène comme matière première, leurs coûts sont une fonction linéaire des coûts de l’hydrogène. Actuellement, seul l’hydrogène produit par reformage à la vapeur peut rivaliser avec les faibles coûts du carburant diesel classique.

Pour réduire encore le TCO des véhicules électriques à pile à combustible, il faut également tenir compte des coûts de développement et de production des systèmes à pile à combustible. En raison de la durée de vie élevée requise des systèmes de piles à combustible pour les applications lourdes, l’amélioration de la fiabilité et de la durabilité est de la plus haute importance pour éviter le remplacement prématuré des piles à combustible et des composants auxiliaires, ainsi que pour minimiser les temps d’entretien et d’arrêt non programmés.

Mise à l’échelle des systèmes de piles à combustible et effets de synergie

Les systèmes de piles à combustible se divisent en plusieurs composants qui assurent un fonctionnement optimal de la pile  à combustible. Ces « Balance of Plant Components » (BoP) peuvent être affectés au circuit d’air, au circuit de carburant, au circuit de liquide de refroidissement et au système haute tension. La figure 3 donne un exemple de disposition d’un système de piles à combustible.

Comme la demande d’énergie varie en fonction de l’application et du cas d’utilisation, les piles à combustible et leurs composants BoP doivent être mis à l’échelle. Pour parvenir à un bon rapport coût-efficacité des véhicules électriques à pile à combustible, dans le segment des véhicules utilitaires à faible consommation, il faut exploiter les synergies avec les systèmes de piles à combustible pour les applications des voitures particulières. Une approche modulaire est souhaitée pour éviter la nouvelle conception de plusieurs composants de la BdP ou même de l’ensemble du système. D’autre part, il faut tenir compte des coûts de production, qui sont plus élevés pour l’approche modulaire que pour un système de piles à combustible à l’échelle. L’utilisation de systèmes de piles à combustible à échelle réduite permet également d’atteindre un rendement plus élevé, puisque le système de piles à combustible peut être adapté de manière optimale à l’application particulière. La figure 4 montre que, dans le segment des véhicules utilitaires, ces méthodes de mise à l’échelle offrent une certaine souplesse dans la conception et doivent être étudiées en détail. Toutefois, les principaux arguments en faveur de l’approche modulaire sont le taux de transfert élevé du segment des voitures particulières, ainsi que la possibilité d’obtenir une fiabilité et une durabilité accrues des systèmes de piles à combustible. En utilisant plusieurs systèmes de piles à combustible, il est possible d’élaborer des stratégies d’exploitation avancées pour faire fonctionner les différentes piles à combustible sur une charge constante différente afin de réduire les cycles de tension excessifs et d’atténuer la dégradation.

Développement de systèmes de piles à combustible pour les poids lourds

Le modèle en V pour le processus de développement d’un véhicule électrique à pile à combustible (FCEV) est représenté à la figure 5. Il se caractérise par différentes phases qui vont de la spécification des besoins et du concept jusqu’aux premiers essais et à la validation finale du système.

Dans un premier temps, le FCEV est décomposé en ses différents sous-systèmes, comme le système hybride. Il peut ensuite être décomposé en batterie de traction et système de piles à combustible, pile à combustible et composants BoP. Par souci de clarté, ces sous-systèmes peuvent être subdivisés en leurs composants individuels, non représentés à la figure 5. Pour tous les sous-systèmes et leurs composants, la spécification des besoins doit être formulée en étroite concertation avec le client. Cela doit se faire non seulement au niveau matériel, mais aussi au niveau logiciel. Dans ce travail, l’accent sera mis sur l’étalonnage du système de piles à combustible pendant le démarrage et l’arrêt, et sur la validation du système.

Validation du système pour les véhicules lourds

Les aspects importants lors du calibrage :

• optimisation de la gestion de l’eau à la cathode et à l’anode,
• taille optimale de l’humidificateur à membrane
• recirculation active et/ou passive de l’hydrogène à l’anode en combinaison avec une logique de purge et de drainage améliorée.

Le logiciel de commande de l’ensemble du système de pile à combustible (Fuel Cell Control Unit, FCCU) doit être étalonné de manière à garantir la stabilité et la durabilité de toute la pile et du système en fonctionnement dynamique, à différents endroits et dans des conditions de fonctionnement variées. Lors de l’étalonnage, la procédure de démarrage et d’arrêt du système de pile à combustible développé doit faire l’objet d’une attention particulière. C’est ce qu’illustre la figure 6. La mise en œuvre de fonctions de diagnostic pour détecter les composants défectueux et assurer une bonne communication est aussi essentielle que le contrôle des vannes cathode/anode et de l’étanchéité.

Pour éviter la condensation de l’excès d’eau pendant la procédure d’arrêt, après la réduction de la puissance de cheminée, une routine de séchage est effectuée. De cette façon, le système de pile à combustible est bien préparé pour des temps d’arrêt plus longs, même dans des environnements froids. En immobilisant la cathode et en dissipant le potentiel résiduel des cellules de manière uniforme sur une résistance à la fuite, les fronts carburant/air et les phénomènes de courant inverse au cours des procédures de démarrage suivantes et les mécanismes de dégradation associés, en particulier la corrosion au carbone du support du catalyseur, peuvent être réduits.

Après l’étalonnage et la mise en service du système de piles à combustible, le rendement et l’efficacité en fonctionnement normal sont examinés. L’efficacité du système se situe entre 41 à pleine charge et plus de 53 % à charge partielle, comme le montre la figure 7.

Réseau en temps réel pour l’étude des groupes motopropulseurs électriques à pile à combustible de pointe

La communication en temps réel entre les différents bancs d’essai de composants, comme le montre la figure 8, permet d’améliorer encore le système de piles à combustible et le système hybride déjà en phase initiale de développement. L’intégration de composants simulés réduit les coûts de développement et accélère le développement du système. La mise en place de groupes motopropulseurs virtuels permet d’analyser les interactions entre les différents composants, le comportement dynamique des différents cycles de conduite, ainsi que les avantages et les inconvénients des différentes topologies HT afin d’améliorer les stratégies de contrôle au niveau des véhicules et des systèmes de piles à combustible. Les groupes motopropulseurs d’une puissance de pile à combustible allant jusqu’à 250 kW peuvent être mis à contribution, ce qui convient non seulement pour les applications lourdes sur route, mais aussi pour le transport ferroviaire. Pour les études de démarrage à froid en particulier, une chambre climatique avec des températures allant de -42 à 110 °C peut être utilisée dans ce cadre.

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Par :

Dr. Marius Walters, FEV Europe GmbH, Aachen, Germany

Johannes Buchmann, FEV Consulting Inc., Auburn Hills, USA

Steffen Dirkes, Institute for Combustion Engines, RWTH Aachen University, Aachen, Germany