Applications automobiles

Face à l'augmentation du prix du pétrole - on a franchi les 140 dollars! - et à l'aggravation des problèmes climatiques, il semble nécessaire de trouver des alternatives, que ce soit les véhicules hybrides ou les véhicules électriques, voire des véhicules roulant avec des carburants alternatifs. En ce qui concerne ces derniers, de nombreux travaux sont ou ont été réalisés: GPL, gaz naturel sont les plus connus, mais il y a aussi des carburants comme le DME (dimethylether), l'éthanol, le méthanol. L'utilisation de ces carburants, dont certains ne sont en général utilisés que comme additifs, ne permet de réduire qu'en partie les émissions. Une autre voie choisie est celle des véhicules électriques: ceux-ci ne sont pas une découverte récente puisque le premier date de 1881, mais ce n'est qu'après les travaux faits sur les piles dans le domaine spatial et les crises pétrolières que les constructeurs automobiles commencèrent à s'intéresser vraiment à ce type de véhicule.

Quelle technologie pour les PACs?

On distingue deux applications des piles dans le domaine de l'automobile: la propulsion du véhicule et l'alimentation en électricité des appareils de bord (climatisation, appareils électroniques, comfort), avec ce qu'on appelle une APU (Auxiliairy Power unit).
La pile à combustible utilisée pour la propulsion sera la PEMFC: elle seule satisfait aux critères de rapidité, de niveau de température... La PEMFC, la SOFC et les piles alcalines sont aussi citées pour les APU (Auxiliairy Power Unit).
 

Le carburant

L'hydrogène est par définition le meilleur pour alimenter la pile à combustible: pas d'émissions de CO2 et de meilleures performances pour la pile. Pour le moment, il est surtout stocké soit sous forme gazeuse (haute pression: de 300 à 700 bars) ou liquide (à - 253°C). Mais ces formes de stockage ne sont pas totalement satisfaisantes en termes de densité gravimétrique et volumétrique. D'autres technologies sont à l'étude: les hydrures métalliques, le borhydrure de sodium (Millenium Cell), les nanotubes... dont on espère de meilleurs résultats en termes de volume, poids, sécurité et dépense énergétique; elles sont cependant loin d'être mûres.
Une autre possibilité consiste à utiliser directement l'hydrogène dans un moteur thermique.
 
L'utilisation de l'hydrogène nécessite dans tous les cas la mise en place de l'infrastructure de production, de transport et de distribution avec par exemple des stations service (où l'hydrogène pourrait être obtenu par reformage du gaz naturel). Mais si l'hydrogène devait être utilisé, on se retrouverait face au problème de l'oeuf et de la poule: qui doit être introduit en premier: les véhicule à pile ou l'infrastructure nécessaire?
 
Utiliser un carburant intermédiaire (essence, méthanol, éthanol...) dont on obtiendrait de l'hydrogène par reformage à l'intérieur du véhicule est une piste aussi envisagée. Cependant, elle pose de nombreux problèmes: si le carburant utilisé ne dispose pas d'une infrastructure suffisante, il est peu probable que les industries pétrolières se lancent dans la mise en place d'une infrastructure à durée de vie limitée - si on considère que l'hydrogène s'imposera à terme. De plus, les techniques de reformage ne sont pas totalement mûres: il s'agit de mettre une petite usine à gaz dans la voiture. On a également des contraintes de place, de volume, de temps de réaction du système. Si les voitures à PAC avec des carburants autres que l'hydrogène ont connu un certain succès jusqu'à 2000-2001, elles se font très rares depuis, preuve que cette piste semble progressivement abandonnée.
 

Les avantages des véhicules PAC

Les véhicules fonctionnant à l'hydrogène ne rejettent que de l'eau; ce sont des véhicules "Zero Emission" (ZEV). Néanmoins on ne peut considérer la voiture seule, il faut aussi considérer la fabrication du carburant. On distingue ainsi les émissions du puits au réservoir (WTT) et celles du réservoir à la roue (TTW). Pour une voiture à l'hydrogène, les émissions TTW sont presques nulles.
En revanche, ceux fonctionnant avec un reformeur devraient avoir des émissions de CO2, particules, NOx inférieures à celles des véhicules traditionnels, mais non nulles.
Cependant, quand on calcule ces émissions sur un bilan complet avec tous les étapes du "puits à la roue" (WTW), on obtient un large spectre où les véhicules à hydrogène ne sont pas toujours gagnants!! Tous ces bilans sont à prendre avec une extrême précaution car les calculs faits dépendent énormément des chaînes de production choisies, c'est à dire comment le carburant est produit.
 

Quand apparaîtront les véhicules à PAC?

Malgré les importants travaux réalisés sur ces véhicules, il reste encore de nombreux progrès à faire en termes de coût, de place, de poids et de performances atteintes par le système. A ceci s'ajoute celui de la production, du transport et du stockage de l'hydrogène (et éventuellement choix du carburant de transition). Cette révolution n'est donc pas pour demain, les constructeurs tablent plutôt sur 15 à 20 ans pour que ces véhicules atteignent une part de marché intéressante. Mais avec près de 60 Millions de nouveaux véhicules vendus chaque année, les 20 à 25 % espérés sont loin dêtre négligeables.

Les constructeurs ont souvent repoussé la date de sortie des pré série - ainsi, la date de 2004-2005 était donnée comme celle du lancement des véhicules à pile. On voit aujoud'hui qu'ils ont été un peu optimistes, mais des véhicules PAC sont effectivement apparus et sont testés par des compagnies et bientôt des particuliers, mais c'est loin d'être la percée attendue. Des véhicules DaimlerChrysler, Honda, Toyota, Ford sont ainsi depuis quelques années sur les routes.
Alors, 2010? 2015? 2020? Ce qui est sûr, c'est que cette percée prendra du temps. Dans les premières années, on peut estimer que peu de véhicules seront produits: il s'agira de flottes captives plutôt destinées à des entreprises, des agences gouvernementales, des taxis avec un rayon de déplacement limité.
 

Les prototypes

Au cours des dix dernières années, les constructeurs automobiles ont développé de nombreux prototypes; le plus avancé d'entre eux est sans doute DaimlerChrysler avec ses NECAR et ses f-cell, avec les constructeurs japonais Honda et Toyota. Cependant, d'autres constructeurs automobiles sont également sur les rangs: General motors, Opel, Ford, Nissan et en France, Renault et PSA.

 

Audi	Audi A2 (H2), 2004
BMW	BMW CleanEnergy 750hl Sedan (LH2) BMW CleanEnergy 745h Sedan (LH2), 2001 Mini Cooper (LH2) H2R (LH2)
Daihatsu	MOVE EV FC (Méthanol) MOVE EV FC - KII (H2)
DaimlerChrysler	NECAR 1 (H2), 1994 NECAR 2 (H2), 1996 NECAR 3 (Méthanol), 1997 NECAR 4 (H2), 1999 NECAR 5 (Méthanol), 2000 NEBUS (H2) Sprinter (H2) Natrium (NaBH4) F Cell (H2)
Ford	P2000 (H2) Ford Focus FCH (H2) TH!NK FC5 (Méthanol)
General Motors/Opel	HydroGen1, HydroGen3 (LH2) HydroGen3 (LH2), 2001, 2004 Precept Concept Car (H2) Hy-Wire (H2)
Honda	FCX-V1, FCX-V3, FCX-V4 (H2) FCX-V2 (Méthanol)
Hyundai	Santa Fe SUV (H2) Tuckson FCEV (H2), 2004
Mazda	Premacy (Méthanol) Demio FC-EV (H2, hydrures)
Mitsubishi	Space Liner (H2), 2001 FCV Grandis (H2), 2003
Nissan	Xterra (H2) FCV (Méthanol) X-Trail FCV (H2), 2003 EFFIS (Hybride H2-batterie), 2003
PSA Peugeot Citroen	TaxiPAC (H2) HYDRO-GEN (H2) H2O
Renault	FEVER (LH2) HYDRO-GEN (H2)
Toyota	RAV 4 (Méthanol) RAV 4 (H2, hydrure) FCHV-3 (H2, hydrure), 2001 FCHV-4 (H2), 2001 FCHV-5 (essence reformée), 2001 S Fine (H2), 2003 Fine-N (H2), 2003 MTRC (H2), 2004
Volkswagen	CAPRI (Méthanol) HyMotion (LH2) HY.POWER (H2)
Zevco	Millenium taxi (H2)

                   Note: Cette liste n'est pas exhaustive...
 
 

Un mot sur les hybrides...

En ce moment, ce sont surtout les véhicules hybrides qui sont à l'honneur avec la Prius de Toyota et l'Insight de Honda. Elles connaissent déjà un certain succès au Japon et aux USA, et à présent en Europe. On peut les considérer - dans une certaine mesure - comme une transition avec les véhicules à hydrogène.
Le principe de ces véhicules est simple: il combine les caractéristiques des voitures électriques et des voitures à essence. On a en fait deux sources d'énergie pour la traction: le moteur traditionnel thermique à essence et le moteur électrique alimenté par des batteries. Cela permet d'avoir un véhicule plus autonome que les véhicules électriques et moins polluants que les autres thermiques. Les moteurs sont en plus petits et en plus, on peut récupérer l'énergie du freinage: elles sert à la recharge des batteries.
On peut mettre les moteurs en série ou en parallèle. Dans le principe en série, le moteur à essence va faire tourner une génératrice. Celle-ci charge les batteries ou alimente le moteur électrique. C'est donc ce moteur et non le moteur thermique qui entraîne la traction. Dans le principe en parallèle, les deux moteurs peuvent entraîner la traction.