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Les piles à combustible
L'étude réalisée par le Cabinet DECISION montre que les piles à
combustible semblent prêtes aujourd'hui à jouer un rôle majeur dans
l'évolution de l'automobile de demain. L'évolution des technologies rend leur
mise en œuvre économique, l'évolution des réglementations la rendra
nécessaire.
Automobile
: les
grands constructeurs ont pris le départ
Avec les normes d'émission de plus en plus strictes aux
Etats-Unis et en Europe, la pile à combustible est devenue un enjeu
suffisamment important pour que la plupart des grands constructeurs mondiaux
s'engagent dans un considérable effort de R&D pour sortir sur le marché
des voitures à pile à combustible vers 2003-2005.
De grands pôles se sont formés. D'une part, le groupe Daimler Chrysler a
formé un partenariat avec Ford, Mazda, Volvo et le fabricant canadien de piles
à combustibles Ballard. D'autre part Toyota, qui a développé sa propre
technologie de piles à combustible, s'est allié à General Motors avec Isuzu
et désormais Fiat. Ces deux pôles représentent respectivement 30% et un peu
moins de 25% de la production mondiale. Ils ont annoncé la sortie de véhicules
commerciaux à pile à combustible pour 2004, avec des programmes
d'investissements de l'ordre du milliard de dollars chacun.
Honda semble encore vouloir jouer seul et prévoit également un véhicule
pour 2004 avec sa propre technologie. Renault dispose chez Nissan d'une
technologie de piles à combustibles, mais ne semble pas encore avoir annoncé
une stratégie claire dans ce domaine.
Restent chez les grands Volkswagen et PSA qui sont impliqués dans les
programmes européens FEVER et CAPRI avec le fabricant de piles à combustibles
italien De Nora, mais sans avoir annoncé la sortie d'un véhicule commercial.
BMW travaille sur une solution originale où la pile à combustible servirait de
générateur auxiliaire pour fournir les besoins en énergie électrique de la
voiture, mais pas l'énergie de traction.
Le dernier espoir de la voiture électrique ?
Personne ne semble plus aujourd'hui croire au véhicule électrique à
batteries. Celui-ci n'a pas réussi à offrir une autonomie, une vitesse, un
délai de recharge, et un coût satisfaisant. Le " ZEV " (Zero
Emission Vehicle) imposé par la législation californienne est sans doute
mort-né. De toute manière c'était un concept un peu hypocrite puisque si la
batterie ne produit pas d'émissions, la centrale électrique qui la recharge en
produit bien !
Le véhicule hybride présente moins de difficultés. Celui-ci combine un
moteur thermique optimisé avec des batteries, ce qui permet de réduire très
considérablement les émissions tout en gardant l'autonomie et les performances
des voitures traditionnelles, et en évitant le problème de la recharge des
batteries.
La pile à combustible peut remplacer le moteur thermique dans cette
configuration hybride, et permet de réduire encore plus le niveau d'émissions.
Une technologie propre, mais…
Les piles à combustible ont servi de sources d'énergie dans toutes les
missions spatiales habitées américaines (Apollo, Gemini, Orbiter…). Elles
produisaient, outre l'électricité, de l'eau potable pour les cosmonautes.
Malheureusement sortie de l'espace la technologie des piles à combustible perd
un peu de sa pureté.
Les piles à combustible fonctionnent en effet selon le principe inverse de
l'électrolyse, qui décompose l'eau avec un courant électrique en oxygène et
en hydrogène. Dans une pile à combustible au contraire on recompose
l'hydrogène et l'oxygène en présence de catalyseurs, et il en résulte un
courant électrique et de l'eau. Dans l'espace on emporte de l'oxygène et de
l'hydrogène purs, et on ne lésine pas sur les catalyseurs précieux (platine).
Mais si on veut appliquer cette technologie à l'automobile les choses se
compliquent. On utilisera de l'air plutôt que de l'oxygène pur, mais au prix
d'une baisse des performances, et de problèmes avec le CO et le CO2 présents
dans l'air. Mais surtout alimenter les piles à combustible avec de l'hydrogène
pur pose des problèmes de stockage, de distribution, de ravitaillement. De plus
l'hydrogène n'existe pas à l'état naturel et il faut le produire, ce qui
comme dans le cas des batteries revient à déplacer le problème de la
pollution de l'auto vers l'usine d'hydrogène.
Dans l'immédiat on cherche donc à utiliser un combustible plus pratique, en
extrayant l'hydrogène qu'il contient dans un reformeur embarqué. L'idéal
serait l'essence ou le gasoil, mais ils sont difficiles à reformer et ils
contiennent beaucoup de carbone qui risque de polluer. Le compromis
généralement accepté aujourd'hui est le méthanol, un combustible liquide
facile à reformer. Mais sa production actuelle est faible (moins de 30 millions
de tonnes par an dans le monde), et surtout il faudrait adapter le réseau de
distribution. Et naturellement le rendement global diminue avec la production de
méthanol et son reformage.
Le développement de piles à combustible qui utilisent directement du
méthanol sans reformage préalable semble une solution idéale. Malheureusement
ces piles ont des performances sensiblement inférieures, ce qui fait qu'elles
sont plus encombrantes et qu'on n'évite pas la diminution du rendement.
Des technologies et des marchés divers
Inventées en 1839, les piles à combustible semblent enfin sur le point de
déboucher commercialement plus d'un siècle et demi plus tard, grâce aux
considérables progrès réalisés dans le domaine des matériaux (membranes,
céramiques…), et grâce aux effets conjugués de la régulation de la
pollution et de la dérégulation des réseaux électriques.
Plusieurs technologies sont développées. Les piles à basse ou moyenne
température sont les plus avancées, et sont arrivées au stade commercial ou
pré-commercial. Les piles alcalines (AFC) ont été les plus utilisées dans
l'espace, mais aujourd'hui on leur préfère les piles à membrane (PEMFC) plus
adaptés à un marché de masse comme l'automobile. Les piles à acide
phosphorique (PAFC) sont une technologie mature adaptée aux usages
stationnaires (cogénération). Il en a été vendu plus de 300 dans le monde,
essentiellement aux Etats Unis et au Japon, à un prix de l'ordre de 3000 $/kW.
Les technologies à haute température (MCFC et SOFC) ont le grand avantage
de permettre un reformage interne de combustibles comme le gaz naturel, et sont
particulièrement bien adaptées aux applications stationnaires ou la production
d'électricité s'accompagne de production de chaleur. Ces technologies sont
encore au stade expérimental, même si leur commercialisation est prévue d'ici
2001-2003.
Les marchés des piles à combustibles sont de trois grands types.
L'automobile d'abord, avec la technologie PEMFC, qui constitue un débouché
considérable en cas de succès. Mais les conditions à ce succès sont
sévères. Le coût ne doit pas durablement être plus élevé que celui des
automobiles conventionnelles, soit un objectif de 50 $/kW alors que les coûts
actuels sont plutôt de 3000 $/kW. La fiabilité devra être la même que celle
des véhicules actuels si on ne veut pas risquer un rejet des consommateurs.
Le second grand marché est celui des applications stationnaires. C'est le
domaine privilégié des technologies à haute température, mais les PEMFC
visent aussi ce marché même si leur faible température de fonctionnement ne
permet pas de tirer pleinement parti de la cogénération. Il ne s'agit pas ici
de remplacer les grandes centrales électriques par des centrales à piles à
combustible, mais d'introduire à la faveur de la dérégulation de nouvelles
architectures des réseaux faisant largement appel à la production
décentralisée. La cogénération permet d'excellents rendements globaux, et la
décentralisation permet de réduire considérablement le coût des réseaux de
transport et de distribution d'électricité. L'objectif de coût est ici plus
facile à atteindre, et se situe vers 1000 $/kW. Ce marché de la cogénération
et de la production distribuée ne concerne pas seulement les industries,
services et PME, mais aussi le secteur résidentiel. Des installations
domestiques sont prévues, fournissant électricité et chauffage ou
climatisation dans les maisons individuelles.
Un troisième marché bien plus hétérogène est celui des applications
portables ou de niche. Comme dans les applications spatiales ce n'est pas le
coût qui est déterminant ici, mais la commodité d'usage. Motorola étudie
avec un laboratoire américain une pile à combustible pour téléphone portable
alimentée pour une semaine par une cartouche de méthanol de la taille d'une
cartouche d'encre de stylo. Siemens a installé des PEMFC dans des sous-marins
allemands pour leur donner une plus grande autonomie en plongée. Et il existe
un grand nombre de marchés pour des applications de niche de type source
d'énergie pour le camping, la plaisance, les sites isolés, stations météo…
Une estimation optimiste du marché annuel des piles à combustible
(milliards de $)
Année |
Fixes |
Automobile |
Autres |
Total |
2005 |
1 |
0,2* |
0,1 |
1,3 |
2010 |
5 |
4** |
1 |
10 |
2020 |
10 |
24*** |
6 |
40 |
* 60 000 voitures de 40 kW à 100 $/kW
** 2 millions de voitures de 40 kW à 50 $/kW
*** 12 millions de voitures de 40 kW à 50 $/kW |
Les piles à combustible : une industrie naissante
L'industrie des piles à combustible est en train de se dessiner. Elle est
surtout vigoureuse en Amérique du Nord, soutenue notamment par d'importants
programmes de R&D gouvernementaux. Le canadien Ballard et IFC (filiale
commune de l'américain UTC et du japonais Toshiba) dominent dans les PEMFC,
avec un certain nombre de challengers, comme H Power ou Plug Power entre autres.
Par ailleurs Du Pont a un quasi monopole de la production de membranes pour
PEMFC avec sa membrane Nafion. IFC dominait également dans les AFC, et dans les
PAFC c'est ONSI (une autre filiale commune de UTC et de Toshiba) qui est le
leader incontesté. Dans les SOFC c'est Westinghouse le leader, et dans les MCFC
deux américains dominent, MC Power et FuelCell Energy.
Au Japon la situation est plus complexe. Ce sont les grandes entreprises de
la construction électrique comme Fuji, Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, IHI qui
poursuivent des travaux dans le domaine des piles à combustible. Parallèlement
les grands constructeurs automobiles comme Toyota, Honda, Nissan développent
leur propre technologie de PEMFC en interne.
En Europe l'effort de R&D est sensiblement inférieur à ce qu'il est aux
Etats-Unis et au Japon. Les activités en AFC ont été arrêtées pour
l'essentiel avec l'abandon du projet de navette spatiale européenne Hermès. En
PEMFC Siemens a développé des piles pour les sous-marins non-nucléaires
allemands, et l'italien De Nora a développé des piles qui équipent notamment
le véhicule du programme européen FEVER. Alstom a signé un accord avec
Ballard pour développer en Europe des applications stationnaires en technologie
PEMFC. En SOFC Siemens est devenu leader par l'acquisition de Westinghouse, mais
les travaux de développement continuent à se faire aux Etats Unis. Le suisse
Sulzer Hexis développe des SOFC de quelques kW pour applications
résidentielles.
Pour le moment les grandes options prises sur le marché automobile ne sont
guère favorables aux fabricants européens de piles à combustible. Daimler
Chrysler a choisi Ballard entraînant Volvo dans son sillage. Fiat a rejoint le
groupe General Motors-Toyota avec des PEMFC Toyota. Renault dispose désormais
de ressources internes avec les PEMFC Nissan. Siemens et De Nora vont devoir se
battre avec acharnement s'ils veulent se tailler une part de ce marché.
La R&D en piles à combustible dans le monde en 1999 |
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EUROPE
France
- Air Liquide
- Alstom (accord avec Ballard sur PEMFC stationnaires)
- CEA-CENG Grenoble
- CNAM-Laboratoire d’Electrochimie
- CNES (Toulouse)
- Ecole des Mines
- EdF (essai PAFC IFC a Chelles dans GIE avec EdF)
- GdF (essai PAFC IFC a Chelles dans GIE avec EdF)
- Houvenagel
- Matra
- Messier Bugatti
- PSA
- RATP
- Renault
- Solvay
- Sorapec
- Thomson SRTI
- Université de Grenoble LEPMI
- Université de Poitiers
Grande Bretagne
- ADL-Epyx (reformeurs)
- Advanced Power Systems (systèmes PEMFC portables et
domestiques, spin-off de Loughbotough University))
- British Gas
- Johnson Matthey (reformeurs)
- Loughbourough University (petites PEMFC)
- Keele University (piles SOFC portables)
- Rolls Royce (étudie SOFC 1-10 MW)
- Wellman-CJB (réformeurs)
Allemagne
- Alstom (accord avec Ballard pour PEMFC fixes)
- BMW (PAFC, SOFC)
- Daimler-Benz (PEMFC avec Ballard)
- DASA (Dornier, AFC, a basculé vers PEMFC)
- Fraunhofer Institut (pile méthanol pour PC portable
Siemens)
- MTU (MCFC avec ERC)
- Siemens (SOFC fixe planar et tubulaire, PEMFC, DMFC)
Pays-Bas
- ECN (Centre de recherche publis sur l’énergie et les
PAC)
- BCN-Stork (MCFC)
- ESA
Belgique
- Elenco-Zevco (AFC pour véhicules)
Scandinavie, Suisse, Autriche
- ABB (Suède-Suisse)
- Paul Scherrer Institut (Suisse, PEMFC)
- Statoil (Norvège, applications stationnaires SOFC)
- Sulzer (Suisse, SOFC planar fixes)
- Volvo (Suède)
- Universite Technique de Graz (Autriche, AFC)
Italie
- AEM (Milan, 100 kW PAFC IFC par Ansaldo)
- Ansaldo (PAFC de IFC, MCFC avec Joule, PEMFC avec
DeNora)
- CISE
- ENEL
- De Nora (PEMFC pour transport et applications
stationnaires avec Ansaldo)
- Fiat-IVECO (PEMFC De Nora)
ETATS-UNIS - CANADA
- Advanced Power Sources
- Allied Signal (SOFC monolithique)
- Analytic Power (PEMFC)
- Arco/Exxon (reformeurs avec Delphi)
- Ball Aerospace & Technologies Corp (PAC
portables)
- Ballard Power Systems (PEMFC véhicules)
- Chrysler (PEMFC avec DB-Ballard)
- Dais Corp (systèmes portables)
- Delphi (SOFC auto avec BMW, reformeurs avec Arco/Exxon)
- Electrochem (systèmes PEMFC portables ou
domestiques)
- Energy Partners (PEMFC pour sous-marins, véhicules,
domestique)
- Energy Related Devices (PAC méthanol pour
téléphones portables)
- Energy Research Co (PAFC avec Westinghouse, surtout
MCFC)
- EPRI
- Ford (PEMFC avec DB-Ballard)
- General Electric (activité AFC vendue à IFC, PEMFC
pour Gemini)
- General Motors, Delphi Automotive
- H Power (systèmes portables)
- IFC-ONSI-UTC (AFC, PAFC surtout, MCFC avec Toshiba,
PEMFC avec technologie GE)
- Jet Propulsion Laboratory (DMFC)
- Los Alamos National Laboratory
- Lynntech (systèmes portables)
- MC Power (MCFC)
- Plug Power (PEMFC domestiques, filiale de Mechanical
Technologies Inc)
- Sofco (SOFC)
- Université du Texas
- Warsitz Enterprises (systèmes portables)
- Westinghouse (SOFC tubulaire, devenu Siemens)
- Ztec (SOFC planar)
JAPON - ASIE
- Fuji Electric (PAFC)
- Hitachi (MCFC)
- Honda (contrat avec Ballard pour générateurs
mobiles)
- Kansai Electric (PAFC avec Fuji)
- Kansai Gas (SOFC)
- Matsushita (contrat avec Ballard)
- Mitsubishi (PAFC, MCFC, SOFC planar)
- Nissan
- Osaka Gas (SOFC)
- Sanyo (PAFC et PEMFC portables ou domestiques)
- Tepco (PAFC avec IFC-Toshiba)
- Toshiba-IFC (PAFC, MCFC avec IFC)
- Tokyo Gas
- Toyota (PEMFC)
RESTE DU MONDE
Australie
- Ceramic Fuel Cells (Australie, SOFC planar)
Russie
- Centre Scientifique d’Etat/Institut des Systèmes de
Puissance (SOFC, MCFC)
- Energia Rocket Space Corp
- Institut d’Etat de l’Industrie de l’Azote GIAP
(reformage)
- Institut Kotchatov (PEMFC, reformage)
- Institut Pan-russe de Physique Expérimentale VNIIEF
(PAFC, MCFC, reformage)
- Institut Pan-russe de Physique Technique VNIIFT (SOFC)
- Usine Electrochimique Intégrée de l’Oural UEIP
(PAFC, reformage)
- Usine d’Equipements Electromécaniques ZEMO (PEMFC)
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