Fiche 9.1.10 - Programmes français - rev.dec2014

Fiche 9.1.10

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Mémento de l’Hydrogène FICHE 9.1.10

LES PROGRAMMES FRANÇAIS

Sommaire 1. Généralités 2. Le programme Renault 3. Le programme PSA Peugeot Citroën 4. Le programme Michelin 5. Autres programmes

1. Généralités Les activités françaises dans le domaine de l’application des piles à combustible au véhicule automobile ont formellement débuté le 23 mars 1990 avec la signature du programme national de recherche pour un véhicule propre et économe en énergie, baptisé programme VPE (Véhicule Propre et Econome). Ce programme avait été signé par les deux constructeurs automobiles PSA et Renault et les trois ministères concernés (Recherche, Industrie et Transport). D’un montant de 1,2 milliards de francs (environ 180 millions d’euros) sur 4 ans, il comportait divers chapitres dont le chapitre « Générateurs électrochimiques» qui incluait la pile à combustible (figure 1). L’Ademe (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), responsable de ce projet, avait confié la maîtrise d’ouvrage de ce chapitre (qui a été complété par un programme sur le stockage de l’hydrogène) au constructeur automobile PSA qui en a sous-traité la maîtrise d’œuvre au CEA (Commissariat à l’Energie Atomique). En effet, le CEA avait initié des travaux de R&D dans les domaines de la pile à combustible de type PEM et du stockage de l’hydrogène quelques années auparavant et avait un accord de collaboration avec les constructeurs automobiles (GIE RE PSA R). Ce programme, mené en collaboration avec PSA, Renault et le CNRS, avait été baptisé programme VPE/PAC (pour Véhicule Propre et Econome/Pile A Combustible). Plusieurs années de travaux de R&D ont ainsi permis aux constructeurs d’acquérir des connaissances dans ce domaine, et ont conduit Renault d’abord, puis PSA, à s’intégrer à des programmes européens de démonstration.

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Figure 1 – Extrait du programme national VPE (mars 1990)

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2. Le programme Renault

En 1994, Renault a répondu à un appel à propositions du 3 ème PCRD (Programme Cadre de Recherche et Développement) de l’Union Européenne avec d’autres partenaires (les italiens De Nora –devenus Nuvera- et Ansaldo, le suédois Volvo, les français du laboratoire Armines/Sophia Antipolis de l’Ecole des Mines de Paris et Air Liquide). Le programme, baptisé Fever , avait pour objet de réaliser un prototype de véhicule à pile à combustible, hybridée avec une batterie de type NiMH, sur une base Laguna. Ce prototype était équipé d’une pile PEM de 30 kW réalisée par De Nora, alimentée en hydrogène à partir d’un réservoir cryogénique contenant 8 kg d’hydrogène liquide, conçu par Air Liquide. Fin 1997, ce véhicule (voir figure 2) a été présenté. Il avait été conçu plus comme une plate-forme roulante (comme la Necar 1 de DaimlerChrysler) que comme un prototype intégré, puisque seules les deux places avant étaient disponibles, tout le reste du véhicule étant occupé par les composants du système de propulsion. L’autonomie était de 450 km. Après ce premier prototype, Renault a participé au projet Hydro-Gen avec PSA (voir le paragraphe suivant); puis, ayant racheté Nissan (en 2000) qui développait lui aussi ce type de véhicule, Renault a décidé de laisser à Nissan la responsabilité du développement de la première génération de véhicules à pile à combustible (voir fiche Nissan 9.1.6 du site Afhypac), Renault prenant en charge la R&D de la génération suivante, en particulier au niveau du développement de certains composants sensibles comme l’ensemble EME (Electrode-Membrane-Electrode) du module PEM et la production d’hydrogène via un reformage embarqué de divers combustibles.

Figure 2 – Le prototype Renault Fever (1997)

En 2004, a été présenté un prototype de reformeur embarqué, étudié en collaboration avec la société italo-américaine Nuvera (voir figure 3) dont Renault a pris 10% du capital en 2004. Renault a présenté1 (figure 4) un schéma de véhicule dans lequel ce reformeur (multi combustible et en particulier essence) de 70 kW, dans un volume de 80 litres, pourrait être implanté.

1 Revue Clefs CEA n°50-51, 2004-2005

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Figure 3 – Prototype de reformeur embarqué Nuvera (2004)

Figure 4 – Concept Renault de véhicule à pile à combustible avec reformeur En mai 2008, Renault a repris la chaine électrique de la Nissan X-Trail FCV pour équiper son véhicule Scenic, qu’il a baptisé Scenic ZEV H2 (Figure 5) et qui a été présenté à diverses occasions. Il était équipé d’une pile de 90 kWe alimentée par un réservoir d’hydrogène à 350 bars contenant 3,7 kg pour une autonomie de 350 km. Deux ou trois exemplaires ont été construits. Depuis cette date, aucune autre présentation n’a été faite par Renault qui a délégué à sa filiale Nissan ce type de développement.

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Figure 5 – Le concept car ZEV H2 de Renault (2008)

3. Le programme PSA Peugeot Citroën En 1996, PSA a poursuivi des développements sur la pile à combustible, initiés en 1990, en répondant à un appel à propositions du 4ème PCRD européen avec plusieurs partenaires (Air Liquide, CEA, de Nora, Renault et Solvay) en proposant le programme Hydro-Gen , qui avait pour objectif de développer un successeur au véhicule Fever, mais dans un concept intégré, sur une base PSA Partner, et utilisant un réservoir d’hydrogène sous pression. Les caractéristiques de ce véhicule étaient les suivantes :

- une pile PEM Nuvera Fuel Cells (ex- de Nora) de 30 kW (sous 70 V), placée à l’arrière du véhicule (figure 5) et refroidie par circulation d’eau.

- l’hydrogène (4 kg) stocké dans cinq réservoirs composites sous une pression de 700 bars, conçus par le CEA, et avec un coefficient de sécurité de 2.5, ce qui fut une première mondiale, plusieurs années avant les démonstrations des fabricants canadien Dynetek et américain Quantum/Impco. Les réservoirs (110 kg) étaient intégrés au châssis.

- un moteur à courant continu de puissance nominale 20 kW et de puissance max. 33 kW,

- une batterie NiMH de 10 Ah.

En mai 2001, le prototype (voir figures 6 à 8) a débuté ses premiers essais. Peu après, PSA présentait le Taxi PAC (voir figure 9) qui était, contrairement au prototype Hydro-Gen, un véhicule électrique embarquant un prolongateur d’autonomie à pile à combustible (dit Range Extender). Ses principales caractéristiques étaient les suivantes :

- batterie NiMH de 95 Ah, - pile à combustible PEM de HPower, de puissance 5,5 kW à 86 Volt, - moteur électrique à courant continu de 22 kW à Pn et 36 kW à Pmax, - réservoir d’hydrogène (1,5 kg à 300 bars) constitué de 5 bouteilles composites

fabriquées par Composite Aquitaine et placées sur un rack coulissant à l’arrière, - autonomie de 200 à 300 km, - poids à vide : 1740 kg.

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Figure 6 – La pile PEM à l’arrière du véhicule Hydro-Gen

Figure 7 – Vue éclatée du prototype Hydro-Gen (Repère 1 : la pile PEM - Repère 4 : le stockage d’hydrogène)

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Figure 8 – Le prototype Hydro-Gen (2001)

Figure 9 – Le taxi PAC (2001)

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A l’automne 2002, au Salon de l’Automobile à Paris, PSA a présenté le prototype H2O (figure 10), véhicule de pompier, équipé d’une source d’hydrogène Millenium Cell (stockage sur borohydrure de sodium) alimentant une PAC PEM HPower de faible puissance (5,5 kW) hybridée avec une batterie NiMH.

Figure 10 – Le prototype H2O (2002)

En septembre 2004, PSA a présenté un séduisant Quark à 4 roues motrices (moteur-roue) à pile à combustible de 10 kW (voir figure 11) équipé d’un réservoir 700 bars lui assurant une autonomie de 100 km et hybridée avec une batterie NiMH.

Figure 11 – Le Quark PSA (2004)

Le 9 janvier 2006, PSA a présenté un module à pile à combustible, baptisé Genepac , développé avec le CEA depuis 2002 dans le cadre d’un financement PACo2 (voir figure 12). Ce module fournit une puissance de 80 kWe : il est constitué de 4 sous-modules de 20 kW équipés de plaques bipolaires 2 Le programme national PACo (Pile à Combustible) a été remplacé en 2005 par le programme PAN’H, puis H-PAC

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métalliques, ce qui lui permet d’atteindre une excellente compacité et légèreté (1 kW/kg). Ce module a ensuite été intégré à un système complet de génération électrique dans le cadre du projet national PAN’H FiSyPAC .

Figure 12 – Le module PSA Genepac de 80 kWe (2006)

En janvier 2006, PSA a annoncé qu’il démarrait un programme de développement, avec le britannique Intelligent Energy, d’une pile de 10 kWe destinée à servir de prolongateur d’autonomie à un véhicule électrique (base Partner) dans la continuité du concept initié avec le « Taxi PAC », en 2001. La pile était alimentée via un réservoir sous 700 bars. En avril 2008, à Loughborough (Birmingham, Royaume-uni), PSA et le fabricant britannique de piles à combustible Intelligent Energy ont dévoilé les résultats de leur projet de recherche commun qui a duré trois ans et baptisé « H2Origin » (Figure 13)

Figure 13 – Le prototype H2Origin (2008)

En décembre 2009, PSA présente un nouveau démonstrateur sur la base d’un coupé cabriolet 307, conclusion des travaux du projet français FiSyPAC engagé en 2006 (voir plus haut). Ce prototype 2 places, hybride (batterie Li-ion de 13 kWh), avait une configuration « Range Extender » pour une autonomie annoncée de 500 km (dont 50 km sur la seule batterie). Il était équipé d’un sous-module CEA/PSA Genepac de 23 kW alimenté à partir d’un réservoir sous 700 bars (4,2 kg).

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Figure 14 – Le démonstrateur FiSyPAC (2009)

Depuis cette date, PSA n'a plus poursuivi le développement de cette filière. 4. Le programme Michelin C’est en octobre 2004, à l’occasion du Challenge Bibendum, que Michelin avait créé la surprise en dévoilant le prototype Hy-Light , conçu en collaboration avec le laboratoire suisse du Paul Scherrer Institut (PSI) et Belenos Clean Power AG (voir figure 15). Ce véhicule n’était qu’une plate-forme de démonstration. Michelin ne se présentait pas comme un constructeur automobile mais il apportait des solutions comme la roue motorisée ou la suspension dans les roues (active-wheel) par exemple. Les principales caractéristiques étaient les suivantes :

- pile PEMFC de 30 kWe, fournie par PSI (Paul Scherrer Institute, en Suisse) et alimentée en hydrogène – oxygène et non en air comme tous les autres prototypes existants..

- hybridation avec des super-capacités (45 kW pendant 15 s.) permettant la disponibilité d’une puissance totale de 75 kWe

- véhicule léger : 850 kg - hydrogène et oxygène stockés sous 350 bars pour une autonomie de 400 km - deux moteurs-roue à l’avant.

Figure 15 – Le prototype Michelin-PSI Hy-Light (2004)

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En septembre 2011, Belenos Clean Power AG (créée en 2008 par Nicolas Hayek, fondateur de Swatch) présente un nouveau prototype, dénommé Swatch Belenos ELV2 , développé avec les mêmes partenaires, et dont l’autonomie atteint 500 km (voir figure 16). Ce véhicule était équipé d’un moteur électrique de 40 kW (54 CV), d’une batterie lithium-ion de 12 kWh et d’une pile à combustible de 25 kW.

Figure 16 – La Swatch Belenos ELV2 (2011)

Depuis cette date, Michelin semble avoir cessé ses développements en propre mais continue néanmoins à manifester de l'intérêt pour cette filière dans le cadre de trois actions: - les manifestations annuelles du "Challenge Bibendum" qui a vécu sa douzième édition en novembre 2014 en Chine, et qui accueille des véhicules à pile à combustible, - sa participation au projet FAM F-City H2 (cf. $ 5.1) - son entrée dans le capital de la PME grenobloise Symbio FCell, en mai 2014, qui équipe des véhicules électriques de prolongateurs d'autonomie à pile à combustible (cf. $ 5.2).

5. Autres programmes A partir de 2010 d’autres industriels français se sont lancés dans cette voie. 5.1 – FAM Automobiles , concepteur du petit véhicule électrique F-City, a dévoilé en novembre 2011, la F-City H2 (voir figure 17)

Ce véhicule électrique est le fruit d’un travail mené en commun par cinq partenaires : FAM, Michelin, EVE System, FC Lab et l’Institut P. Vernier. Il est cofinancé par OSEO, les collectivités franc-comtoises, le FEDER, le canton de Fribourg (Suisse) et le centre de recherches de Michelin.

Principales caractéristiques : batterie Li de 2,4 kWh et prolongateur d’autonomie à pile à combustible (réserve de 15 kWh). Son autonomie est de 150 à) 210 km selon la pression de stockage l’hydrogène (350 ou 700 bars). De nombreux détails sont disponibles sur le site suivant : www.suisseauto mag.ch/pdf/FAM_Michelin_F_City_H2.pdf

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Figure 17 – La F-City H2 (2011)

Remarque: on peut noter qu'aucune information n'a plus été publiée sur ce programme depuis le début 2012.

5.2 – SymbioFCell , PME créée en avril 2010, avec le support de Siemens (Grenoble), équipe plusieurs types de véhicules avec une pile à combustible (de 5 à 300 kWe) : véhicules légers (prolongateur d’autonomie de 5 kWe de la Renault Kangoo ZE H2), bennes à ordures ménagères, véhicules spéciaux (prototype de F1, dameuses, …), bateaux.

Son "cheval de bataille" est actuellement le développement d'un prolongateur d'autonomie (Range Extender) pouvant équiper le véhicule Renault Kangoo électrique ZE3, qu'il baptise Kangoo ZE H2 ou HyKangoo ZE. Il est destiné à des flottes captives. Ce prolongateur (cf. Fig. 18) est positionné derrière les sièges avant du véhicule. Son encombrement est de 100x30 cm et il pèse environ 80 kg. S'y ajoute un réservoir d'hydrogène d'un volume de 76 litres et dont le remplissage prend environ 6 minutes. La pression de stockage est de 350 bars pour une masse stockée de 1,8 kg, qui assure une autonomie supplémentaire d'environ 160 km qui s'ajoute à l'autonomie de la batterie seule (environ 160 km). La puissance de la pile est de 5 kW. Le prix actuel (fin 2014) du prolongateur est de 26 000 euros (fabrication à l'unité); ce prix pourrait rapidement baisser d'un facteur 2 pour une fabrication de quelques milliers d'exemplaires.

Figure 18 - Le prolongateur d'autonomie de SymbioFCell

3 http://www.symbiofcell.com/sol-re.html

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Plusieurs exemplaires ont été déployés dans le cadre du projet européen FCH-JU MobyPost (cf. Fig. 19) démarré en 2011 et 50 autres seront déployés dans le cadre du projet français MOBILHyTest démarré en août 2013.

Figure 19 – La Renault HyKangoo ZE à prolongateur d’autonomie à pile à combustible (MobyPost)

5.3 – Vélo à pile à combustible. En mai 2013, a été présenté un vélo à pile à combustible, baptisé Alter Bike (cf. Fig. 20), fruit d'une collaboration entre les sociétés Cycleurope, Pragma Industries et Ventec. C'est un engin hybride (pile à combustible + batterie Li-ion) qui sera commercialisé sous la marque Gitane.

Figure 20 - Le vélo Alter Bike