Examen des piles à hydrogène pour le transport

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Dans l’électrolyse, l’électricité décompose l’eau en hydrogène et en oxygène, produisant de l’hydrogène à la cathode et de l’oxygène à l’anode dans un ratio de 2:1 (H₂O). À l’inverse, l’hydrogène se combine avec l’oxygène (provenant de l’air ou de sources pures) dans une pile à hydrogène pour produire un courant électrique, l’eau et la chaleur étant les seuls sous-produits.

Bien que la technologie des piles à hydrogène soit souvent considérée comme moderne, elle remonte aux premiers prototypes construits par les scientifiques Sir Humphrey Davy et Sir William Grove au début du XIXe siècle. Dans les années 1960, des technologies pratiques de piles à hydrogène ont été développées pour alimenter des équipements de soudage, des tracteurs agricoles et même des missions spatiales. Un obstacle important à leur développement ultérieur était la conception d’une technologie d’interface durable pour séparer les gaz de l’électrolyte liquide dans la cellule. L’interface devait être perméable aux gaz, conductrice sur le plan électrique et résistante à la fois à la corrosion de l’électrolyte et à la chaleur générée. Aujourd’hui, les constructions utilisant des membranes échangeuses de protons (PEM) ont largement résolu ces problèmes, faisant des piles à hydrogène empilées une option viable pour une énergie propre et efficace dans plusieurs secteurs comme le transport et l’énergie résidentielle.

Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Piles à hydrogène dans les transports

Les piles à hydrogène représentent une option de plus en plus attrayante dans les transports, offrant une alternative aux combustibles fossiles et contribuant à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les véhicules électriques à hydrogène (FCEV) sont maintenant produits par de nombreux grands constructeurs automobiles, tels que BMW, Toyota, Honda et Hyundai. Les FCEV présentent certains avantages par rapport aux véhicules électriques à batterie (BEV), notamment pour les longs trajets, grâce à un ravitaillement plus rapide et un potentiel d’autonomie accru.

Les stations de ravitaillement en hydrogène à haute pression fonctionnent de manière similaire aux pompes à essence traditionnelles, tandis que les BEV nécessitent souvent des temps de recharge longs ou de plus grandes batteries plus lourdes. Cela rend les piles à hydrogène idéales pour des applications dans le transport de marchandises sur de longues distances, les bus et d’autres moyens de transport lourd, où des temps de ravitaillement rapides, un poids plus léger et une autonomie prolongée sont des facteurs clés. En conséquence, les FCEV se concentrent de plus en plus sur des applications dans le transport routier et ferroviaire, tandis que des bus et tramways propres alimentés par piles à hydrogène se trouvent déjà dans de nombreuses zones urbaines. De plus, des unités de piles à hydrogène à petite échelle peuvent être facilement adaptées aux conteneurs réfrigérés et aux remorques, évitant ainsi la nécessité de faire fonctionner continuellement des moteurs diesel pour garder les marchandises périssables au frais.

Les piles à hydrogène sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l’énergie chimique d’un combustible gazeux, souvent de l’hydrogène, directement en énergie électrique. Ce processus se déroule dans une chambre de réaction, ou “cellule” (Figure 1). Lorsque l’hydrogène sert de combustible, le processus ressemble à une électrolyse à l’envers.

Figure 1. Cellule d’électrolyse vs Schematic de la pile à hydrogène. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Les piles à hydrogène sont également appliquées dans des systèmes d’alimentation stationnaires, alimentant des bâtiments, des sites industriels et même des communautés entières. Les piles à hydrogène sont par nature évolutives : ajouter plus de cellules augmente la tension, élargir la surface des cellules accroît le courant, et connecter plusieurs empilements en parallèle augmente la puissance. Cependant, comme les cellules individuelles génèrent des tensions relativement faibles (0,5-0,8V), les piles à hydrogène sont généralement empilées pour délivrer des tensions de sortie utiles de 200 V à 300 V avec un courant élevé (des centaines d’ampères) afin de simplifier la construction (Figure 2).

Figure 2. Construction d’un empilement de piles à hydrogène. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Les applications de puissance portable sont un autre domaine prometteur pour les piles à hydrogène, notamment dans les secteurs militaire, médical et des électroniques grand public. Les piles à hydrogène offrent des temps de fonctionnement plus longs que les batteries traditionnelles, un avantage dans des situations éloignées, hors réseau ou d’urgence. Par exemple, l’armée américaine explore des piles à hydrogène à petite échelle pour alimenter des équipements de terrain, réduisant la dépendance des soldats aux lourds packs de batteries.

Malgré les avancées récentes, l’énergie des piles à hydrogène fait encore face à des défis techniques inhérents qui freinent leur adoption généralisée. S’attaquer à ces défis est essentiel pour que les piles à hydrogène jouent un rôle significatif dans notre transition énergétique.

Le problème du temps de réaction

Comme les piles à hydrogène génèrent de l’énergie par une réaction chimique impliquant deux gaz, il y a un délai entre l’approvisionnement en gaz et la sortie d’énergie pendant que le combustible pénètre dans l’empilement (Figure 3). Pour les applications fixes, ce délai est gérable. Cependant, pour les véhicules à hydrogène, même un bref délai de réaction est inacceptable, de sorte que les véhicules alimentés par piles à hydrogène utilisent également des batteries haute tension (HV) pour une puissance et une accélération immédiates. Ces batteries HV peuvent cependant être relativement petites car elles sont continuellement rechargées par l’empilement de piles à hydrogène.

Figure 3. Temps de réaction de l’empilement de piles à hydrogène. Image utilisée avec la permission de LEMTA – Université de Lorraine et Bodo’s Power Systems []

Un autre défi est l’arrêt d’urgence. Contrairement aux moteurs à combustion qui peuvent être rapidement arrêtés, les piles à hydrogène doivent être purgées pour éliminer les gaz de réaction afin de cesser de produire de l’énergie. Cela rend l’arrêt d’une pile à hydrogène un processus relativement lent.

Figure 4. Convertisseur DC-DC modulable 5x15kW (75 kW) de RECOM. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Convertisseurs DC/DC dans les systèmes de piles à hydrogène

Les convertisseurs DC/DC s’attaquent à la fois aux problèmes de délai de réaction et d’arrêt tout en gérant l’interface entre la pile à hydrogène et le pack de batteries.

Ils :

• Agissent comme des convertisseurs élévateurs, convertissant la sortie à faible tension et fort courant de la pile à hydrogène en une sortie de chargement de batterie à plus haute tension et à courant plus faible
• Stabilisent les rampes de démarrage et d’arrêt et atténuent les transitoires de charge, fournissant la tension de charge stable requise par le pack de batteries
• Suivent le point de puissance maximale (MPP) de la pile à hydrogène, l’ajustant en fonction de la charge, du temps et de la température pour maintenir un rendement optimal
• Déconnectent brutalement l’empilement de la pile à hydrogène en cas d’urgence
• Surveillent la tension et le courant de la batterie, empêchant la surcharge ou la décharge profonde et gérant en toute sécurité les défauts de la batterie
• S’intègrent au système de communication CAN-bus du véhicule pour un suivi et un contrôle centralisés

La solution modulable de 15 kW DC/DC de RECOM offre jusqu’à 75 kW en connectant cinq modules en parallèle, la rendant adaptée à des applications lourdes comme les camions, les navires marins, le matériel ferroviaire et les stations de recharge de véhicules électriques hors réseau à haute puissance. Ce convertisseur a une entrée nominale de 150 VCC, mais fonctionne dans une plage de 46 à 275 VCC avec un rendement maximum d’environ 94 %. La tension de sortie peut être réglée entre 200 V et 800 V pour correspondre à la batterie de traction, avec un courant d’entrée maximum de 500 A et un courant de sortie maximum de 85 A à 220 A. Un microcontrôleur embarqué gère la surveillance de la tension d’entrée et de sortie avec une précision de ±2 % de la tension réglée et ±5 % du courant réglé. La solution est également conforme aux normes ECER100 de choc et de vibration, tandis que les filtres CE EMC ECER10 intégrés permettent une installation facile dans des applications automobiles.

Le refroidissement liquide permet une conception compacte et une large plage de températures de fonctionnement, l’unité de 75 kW mesurant seulement 750 x 400 x 200 mm. Le convertisseur DC/DC fonctionne à pleine puissance entre -40°C et +50°C de température ambiante, avec protection intégrée contre les courts-circuits, les surintensités de sortie et les surtensions de sortie, ainsi qu’un arrêt automatique en cas de défaillance du système de refroidissement.

Figure 5. Convertisseur DC/DC modulable de 75 kW. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []

Chaque module de 15 kW utilise un convertisseur élévateur à quatre phases en deux étapes, permettant un fonctionnement efficace sur une large gamme de tensions d’entrée et de sortie. Le contrôle numérique garantit une surveillance précise de tous les courants et tensions, maintenant des performances de pointe dans toutes les conditions de charge et assurant une réponse rapide à tout défaut.

L’architecture est modulaire et polyvalente, permettant une optimisation pour différentes tensions de sortie ou exigences de puissance de 15 kW à 75 kW. Les connexions parallèles entre les unités permettent également de l’évolutivité, permettant des configurations allant jusqu’à 225 kW, idéales pour les chargeurs BEV hors réseau de haute puissance.

Le connecteur de l’interface CAN-Bus J1939 fournit un signal d’arrêt d’urgence câblé et un signal d’alarme ainsi qu’une interface numérique.

L’avenir des piles à hydrogène

Les piles à hydrogène offrent une voie polyvalente et prometteuse vers un paysage énergétique plus propre et durable, représentant une étape cruciale vers les objectifs de décarbonisation nécessaires pour faire face au changement climatique. Associées à des convertisseurs DC/DC programmables, les piles à hydrogène offrent des solutions pratiques pour des secteurs difficiles à électrifier, et les véhicules à hydrogène peuvent aider à réduire notre dépendance excessive aux BEV et le stress excessif sur le réseau électrique.

Cet article est apparu pour la première fois dans le magazine Bodo’s Power Systems [].