L’avenir des transports est électrique (ou à hydrogène)

Créer un avenir durable en matière de production d’énergie a été au centre des préoccupations des ingénieurs de l’industrie automobile ces dernières années. L’énergie durable contribuera à améliorer l’environnement, à diversifier l’approvisionnement et à réduire la dépendance aux combustibles importés. De nombreux arguments existent pour et contre les véhicules à hydrogène à pile à combustible (H2FCV) par rapport aux véhicules électriques à batterie (BEV). Ici, nous exposons les deux technologies et examinons comment elles peuvent travailler ensemble.

Comment fonctionnent les véhicules à hydrogène à pile à combustible ? Vidéo utilisée avec l’aimable autorisation de Enginuity Explained [YouTube]

Technologie des Véhicules Électriques à Batterie

Les BEV offrent une alternative durable aux moteurs à combustion interne traditionnels. Ils ne produisent aucune émission de GES lorsqu’ils sont en fonctionnement, ce qui accélère de manière significative le processus de décabornisation dans l’industrie du transport. La technologie de base des BEV comprend le pack de batteries, le moteur électrique, l’électronique de puissance et l’infrastructure de charge.

Pack de Batteries

Le cœur d’un BEV est son pack de batteries, qui stocke l’énergie électrique nécessaire à la propulsion. Les BEV utilisent principalement des batteries lithium-ion en raison de leur densité énergétique, de leur longue durée de vie et de leur faible coût par kWh. Les packs de batteries sont constitués de nombreuses cellules regroupées en modules, qui sont ensuite configurés en un pack de batteries complet. Le système de gestion de batterie (BMS) surveille et régule des facteurs tels que l’état de charge, l’état de santé, la température et l’équilibrage des cellules. L’objectif du BMS est d’optimiser la performance, la sécurité et la durabilité. Il utilise des algorithmes pour la gestion thermique et la maintenance prédictive afin de prévenir les surcharges, la surchauffe et la décharge profonde.

Moteur Électrique

Les BEV emploient un ou plusieurs moteurs électriques pour convertir l’énergie électrique du pack de batteries en énergie mécanique nécessaire pour entraîner les roues. Ces moteurs peuvent être asynchrones (à induction) ou des moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM). Les PMSM sont préférés par rapport aux moteurs à induction dans la plupart des BEV, car ils offrent une efficacité et une densité de puissance supérieures, ainsi qu’un couple élevé à basse vitesse. La transmission instantanée du couple se traduit par une accélération et des performances supérieures. Des algorithmes de contrôle avancés, tels que le contrôle orienté sur le champ et le contrôle du couple direct, optimisent la performance et l’efficacité du moteur.

Démontage de la batterie d’un véhicule électrique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock

Electronique de Puissance

L’électronique de puissance gère la conversion et le contrôle de l’énergie électrique du véhicule. L’onduleur, un composant clé, convertit le courant continu (DC) de la batterie en courant alternatif (AC) nécessaire au moteur électrique. Ce processus de conversion est essentiel et implique des dispositifs semi-conducteurs de haute efficacité comme les IGBT ou les MOSFET. De plus, l’électronique de puissance utilise des convertisseurs DC-DC. Ces derniers réduisent la sortie de la batterie haute tension à des tensions plus basses pour les systèmes auxiliaires et le chargeur embarqué, qui gère le processus de charge depuis le réseau AC jusqu’au système de batterie DC. En outre, les systèmes de freinage régénératif capturent l’énergie cinétique durant la décélération et la convertissent en énergie électrique. La batterie stocke cette énergie, améliorant ainsi l’efficacité globale du véhicule.

Infrastructure de Charge

L’infrastructure de charge des BEV comprend des composants embarqués et externes qui permettent un transfert d’énergie efficace vers le pack de batteries. Les BEV sont compatibles avec différents niveaux de charge :

• Charge Niveau 1 : prises domestiques standard de 120 V. Elles fournissent un taux de charge lent d’environ 1,4 kW, adapté à la charge nocturne.
• Charge Niveau 2 : stations de charge de 240 V. Elles délivrent un taux de charge plus élevé, généralement entre 3,7 kW et 22 kW, réduisant ainsi le temps de charge de manière significative.
• Charge Rapide DC : stations de charge DC haute puissance avec des sorties de 50 kW à 350 kW. Elles peuvent recharger la batterie d’un BEV à 80 % de sa capacité en 30 minutes ou moins, facilitant ainsi les trajets longue distance et les rotations rapides.

Technologie des Véhicules à Hydrogène à Pile à Combustible

Les H2FCV représentent une autre alternative, intégrant l’hydrogène propre comme source d’énergie principale. La technologie de base repose sur plusieurs composants essentiels : le groupe de piles à hydrogène, le système de stockage d’hydrogène, l’électronique de puissance, et les systèmes de balance d’installation (BoP).

Groupe de Piles à Combustible

L’élément crucial d’un H2FCV est son groupe de piles à combustible, qui génère de l’électricité grâce à une réaction électrochimique entre l’hydrogène et l’oxygène. Il convertit le gaz hydrogène à l’anode et l’oxygène de l’air à la cathode en eau, produisant de l’électricité et de la chaleur. Chaque pile à hydrogène dans le groupe est composée d’une anode, d’une cathode, d’une membrane électrolytique et d’un catalyseur, facilitant les réactions. Ce processus fournit une source d’énergie propre, n’émettant que de la vapeur d’eau, et alimente le moteur électrique du véhicule, offrant une alternative efficace et zéro émission par rapport aux moteurs traditionnels.

Système de Stockage de l’Hydrogène

Le stockage de l’hydrogène dans les H2FCV est géré par des réservoirs haute pression. Ils stockent généralement le gaz hydrogène à des pressions de 300 à 700 bars (5 000 à 10 000 psi). Ces réservoirs sont fabriqués à partir de matériaux composites avancés, tels que la fibre de carbone, pour garantir une grande résistance et un faible poids, tout en respectant des normes de sécuritérigoureuses, y compris la résistance aux impacts et la prévention des fuites. Un stockage efficace de l’hydrogène est crucial pour maximiser l’autonomie du véhicule et minimiser la fréquence des ravitaillements.

Moteurs Électriques et Électronique de Puissance

Comme les BEV, les H2FCV utilisent généralement des moteurs électriques, principalement des moteurs synchrones à aimant permanent. L’électronique de puissance dans les H2FCV est essentielle pour convertir et gérer l’énergie électrique. La sortie DC du groupe de piles à hydrogène est convertie en AC par un onduleur pour entraîner le moteur électrique, similaire aux BEV. Le système comprend également un convertisseur DC-DC pour abaisser la haute tension pour les systèmes auxiliaires et pour gérer le flux d’énergie entre le groupe de piles et la batterie. La batterie, généralement de type lithium-ion, sert de tampon pour gérer les charges transitoires, fournir un stockage d’énergie de freinage régénératif et répondre aux demandes de puissance de pointe.

Systèmes de Balance d’Installation

Les systèmes BoP comprennent tous les composants auxiliaires qui soutiennent le fonctionnement du groupe de piles à hydrogène :

• Les systèmes d’alimentation en air utilisent des compresseurs et des humidificateurs pour garantir un approvisionnement constant d’air riche en oxygène à la cathode.
• Les systèmes d’alimentation en hydrogène se composent de régulateurs et d’injecteurs qui contrôlent le flux d’hydrogène vers l’anode, maintenant ainsi une pression et une pureté optimales.
• Les systèmes de gestion thermique mettent en œuvre des échangeurs de chaleur et des circuits de refroidissement pour gérer la chaleur produite durant la réaction électrochimique, maintenant des températures de fonctionnement optimales pour le groupe de piles.
• Le système de gestion de l’eau assure une hydratation adéquate de la membrane électrolytique, ce qui est crucial pour maintenir la conductivité protonique et prévenir la dégradation de la membrane.

Infrastructure de Ravitaillement

Les stations de ravitaillement en hydrogène sont conçues pour distribuer rapidement de l’hydrogène à haute pression, permettant des temps de ravitaillement comparables à ceux des véhicules traditionnels. Le développement de l’infrastructure comprend des installations de production (électrolyseurs pour l’hydrogène vert), des systèmes de stockage et des réseaux de distribution (pipelines ou camions-citernes). Le réseau de ravitaillement en hydrogène est en cours d’expansion grâce à de nombreuses initiatives à l’échelle mondiale, y compris un investissement de 54 millions de livres dans le Advanced Propulsion Centre au Royaume-Uni.

Les BEV et les H2FCV en Synergie

Les BEV et les H2FCV complémentent les forces de chacun et répondent à différents besoins de transport. Grâce à leur haute efficacité et à l’infrastructure de charge en pleine expansion, les BEV sont mieux adaptés pour les trajets de courte à moyenne distance et les environnements urbains. Leur utilisation d’électricité directe issue de sources renouvelables comme le solaire et l’éolien garantit de faibles émissions et des coûts d’exploitation réduit, les rendant les plus efficaces pour les véhicules personnels. D’autre part, les H2FCV sont avantageux pour les trajets longue distance et les applications lourdes, y compris les camions, les autobus et les trains, qui nécessitent une haute densité énergétique. Les H2FCV offrent de plus longues autonomies et un ravitaillement plus rapide, ce qui est essentiel pour le transport commercial et industriel.

En mettant en œuvre ces deux technologies, nous pouvons maximiser l’utilisation des énergies renouvelables, améliorer la sécurité énergétique et réduire les émissions de GES à travers divers segments de transport. Cette approche duale met en valeur les meilleures caractéristiques de chaque technologie, garantissant une transition efficace vers un transport durable.