Faites le plein d'hydrogène

Pesant près de 2 600 kilogrammes, le véhicule musclé de l'usine de skunk de la banlieue de Détroit de DaimlerChrysler semble une improbable voiture du futur. Les lignes sont nettement de la fin du 20e siècle. Sautez dans le siège du conducteur et vous aurez l'impression d'être dans votre véhicule utilitaire sport (SUV) standard. Mais ouvrez le capot, et il devient immédiatement clair qu'il ne s'agit pas d'un consommateur de gaz ordinaire : à la place d'un moteur à combustion se trouve une raffinerie embarquée sophistiquée - un système de traitement de carburant composé de conduites de gaz à haute pression, de compresseurs et de réacteurs chimiques pour transformer le méthanol en gaz hydrogène.

Ce laboratoire mobile de plusieurs millions de dollars - le Jeep Commander II - alimente en hydrogène deux piles à combustible, qui combinent silencieusement l'hydrogène et l'oxygène dans une réaction chimique qui génère suffisamment d'électricité pour propulser le SUV sur l'autoroute. Le fonctionnement de la voiture est propre et efficace, ne générant que de l'eau, du dioxyde de carbone et un peu de chaleur de réserve. Il manque les polluants atmosphériques toxiques et la suie fine qui s'échappent des pots d'échappement de la plupart des véhicules.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2000

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

DaimlerChrysler et ses partenaires, le développeur canadien de piles à combustible Ballard Power Systems et le constructeur automobile concurrent Ford Motor Co., pensent que les véhicules à pile à combustible peuvent fournir la puissance et les performances auxquelles les conducteurs d'aujourd'hui sont habitués. Commander II montre à quel point c'est un défi difficile. Alors que le véhicule représente l'état de l'art en matière de technologie des piles à combustible, son moteur met une demi-heure à se réchauffer et coûterait plusieurs fois plus cher à produire en série qu'un V6 standard. Mais DaimlerChrysler comble l'écart. Sa prochaine démo de pile à combustible, une berline à hayon qui sera dévoilée dès cet automne, contiendra une pile à combustible avec deux fois plus de punch que celle de Commander II. Non seulement son processeur de carburant pèsera deux fois moins, mais il démarrera en moins d'une minute.

C'est ce type d'améliorations constantes et substantielles de la technologie des piles à combustible qui a convaincu de nombreux constructeurs automobiles et compagnies pétrolières que le moteur à combustion interne a enfin trouvé son compte. Face à une réglementation plus stricte des émissions d'échappement, plusieurs constructeurs automobiles investissent massivement pour mener la transition. DaimlerChrysler, Ford et Ballard ont dépensé près d'un milliard de dollars en piles à combustible et prévoient de dépenser au moins un milliard de plus d'ici 2004 pour commencer à produire des véhicules en série. L'objectif est de sortir les piles à combustible des usines de skunk et de les faire entrer dans la salle d'exposition. La grande majorité de nos employés qui travaillent sur les piles à combustible travaillent sur le programme de production, explique Bruce Kopf, directeur de TH!NK Technologies, l'entreprise de voitures électriques de Ford.

Les concurrents de Ford et DaimlerChrysler ont rejoint la course, ainsi que les principaux fournisseurs de pièces. Les quatre plus grands constructeurs automobiles japonais ont investi plus de 850 millions de dollars dans les piles à combustible au cours de la dernière décennie, et plusieurs se sont engagés à commercialiser la technologie, peut-être même avant DaimlerChrysler et Ford.

Ces entreprises sont enthousiasmées par les piles à combustible, car le moteur à combustion interne est de plus en plus difficile à améliorer. Même les conceptions les plus sophistiquées auront du mal à respecter les normes d'émissions plus strictes qui seront bientôt imposées en Californie et dans plusieurs États de la côte est. Et le nettoyage du moteur à combustion interne commence à augmenter son coût. Après 100 ans d'améliorations, la technologie de la combustion atteint ses limites.

Les piles à combustible sont également intéressantes car elles libéreront les voitures électriques de l'alimentation par batterie, qui fournit les voitures les plus propres sur la route aujourd'hui, mais les condamne également à un marché de niche. Les voitures à batterie sont rapides et réactives, et presque silencieuses sans le cliquetis et le rugissement des pistons. Mais ces caractéristiques ont été éclipsées par la portée limitée des véhicules. Les batteries ne se sont tout simplement pas beaucoup améliorées depuis qu'elles ont été chassées de la route par le moteur à combustion interne il y a près d'un siècle. Les limitations inhérentes à la voiture électrique la condamnent essentiellement à une très petite plage de fonctionnement, et c'est l'histoire d'aujourd'hui, explique l'historien Robert Casey, conservateur des transports au Henry Ford Museum de Dearborn, Michigan. La voiture électrique a été la voiture du futur pour les cent dernières années.

Magie des membranes

Une façon d'étendre l'autonomie de la voiture électrique est de transporter du carburant et de produire de l'électricité à bord. C'est l'approche utilisée par les voitures hybrides essence-électrique telles que la Toyota Prius, qui a frappé les salles d'exposition américaines cet été. La Prius utilise un petit moteur à combustion efficace, ainsi qu'une pile de batteries qui complètent le moteur pendant l'accélération et absorbent la puissance des roues pendant le freinage. Le problème de cette solution est qu'elle est par nature compliquée et coûteuse, car elle combine les technologies d'entraînement électrique et mécanique. Robert Winters, analyste des technologies énergétiques chez Bear Stearns à New York, affirme que la Prius est fortement subventionnée et se demande si les hybrides seront un jour abordables. Vous avez un système de moteur redondant là-dedans. Comment allez-vous surmonter cela?

Entrez dans la pile à combustible. Contrairement aux batteries, qui stockent une charge, les piles à combustible produisent de l'électricité à la volée. Transportez suffisamment de carburant et la pile à combustible emmènera votre véhicule électrique partout où vous le souhaitez. Winters dit que les piles à combustible deviennent rapidement une marchandise, et les véhicules qui les transportent pourraient facilement représenter plusieurs pour cent des quelque 60 millions de voitures qui seront produites dans le monde d'ici 2010.

Bien que les piles à combustible existent en une demi-douzaine de variétés, utilisant différents combustibles et matériaux, une version s'est imposée comme la préférée pour l'automobile : la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). Une cellule PEM est solide et compacte et fonctionne à une température relativement froide de 80 °C. Le cœur de la cellule PEM est une membrane en plastique caoutchouteuse recouverte d'un catalyseur au platine. Le catalyseur divise l'hydrogène gazeux en protons et électrons ; seuls les protons peuvent traverser la membrane. Les électrons voyagent autour de la membrane, générant le précieux courant électrique, avant de se recombiner avec les protons et l'oxygène de l'autre côté de la membrane pour générer de l'eau. L'empilement d'une série de ces ensembles membrane-catalyseur, ou cellules, multiplie la tension.

Les piles PEM ont allumé le vaisseau spatial Gemini qui a fait le tour de la Terre dans les années 1960, mais ont généré un filet d'électricité trop faible et trop cher pour les applications commerciales, sans parler des moteurs automobiles. Puis, à la fin des années 1980, les chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont fait des progrès majeurs dans les catalyseurs, réduisant de 90 % la quantité de platine requise. Ballard a multiplié la densité de puissance de la pile - la puissance restituée par unité d'espace précieux du véhicule qu'elle occupe - en apprenant à garder les membranes heureuses (humides mais pas trempées) et en perfectionnant la plomberie qui déplace l'hydrogène, l'oxygène et l'eau à travers les piles. Ballard, basée à Burnaby, en Colombie-Britannique, détient près de 400 brevets délivrés ou en instance pour protéger son avance dans la technologie PEM.

Il y a deux ans, Ballard dépassait la densité de puissance minimale pour les automobiles - 1 000 watts par litre - avec sa pile Mark 700, dont deux propulsent le Commander II. Les piles Mark 900 de Ballard, lancées au début de cette année, produisent jusqu'à 1 350 watts par litre. C'est une densité de puissance qui est pratique pour les véhicules d'aujourd'hui, déclare Paul Lancaster, vice-président des finances de Ballard. En d'autres termes, une voiture remplissant une telle pile devrait accélérer la machine routière familiale, bagages compris, avec le même enthousiasme qu'un moteur à combustion interne.

Contourner les obstacles

Mais gardez votre chéquier, car il reste encore du travail à faire pour rendre le véhicule à pile à combustible pratique. Tous ses systèmes sont trop coûteux - même plus chers que de charger une voiture avec des batteries - et l'approvisionnement en hydrogène des cheminées est toujours un combat.

Le principal défi de Ballard est de fabriquer des piles moins chères. L'entreprise travaille avec Ford et DaimlerChrysler pour optimiser ses conceptions de piles pour une production automatisée et bon marché. Et pour atteindre une masse critique de production, Ballard commercialise des piles à combustible sur plusieurs marchés simultanément, pas seulement des véhicules, mais des groupes électrogènes portables, des groupes électrogènes résidentiels et des centrales électriques fixes. Lancaster fixe le seuil de rentabilité à environ 300 000 piles par an. Dans la mesure du possible, nous avons utilisé des matériaux et des processus de fabrication communs à toutes les gammes de produits, nous n'avons donc pas à fabriquer des piles à combustible pour 300 000 voitures pour atteindre ce volume.

DaimlerChrysler et Ford, quant à eux, se concentrent sur la fabrication du reste de la voiture. Leur plus gros casse-tête a été de maintenir les cheminées alimentées en hydrogène. Le problème avec les piles à combustible est devenu les carburants. Ce n'est plus la pile à combustible, déclare Mohsen Shabana, qui, en tant que responsable du programme de véhicules à pile à combustible au sein de l'exploitation des technologies d'ingénierie de DaimlerChrysler à Rochester Hills, dans le Michigan, est chargé de faire fonctionner Commander II. Les trois carburants que les constructeurs automobiles envisagent - l'essence, le méthanol et l'hydrogène - posent de sérieux problèmes.

L'extraction à bord de l'hydrogène à partir de l'essence faciliterait la transition vers le véhicule à pile à combustible, puisque l'essence est partout. Mais le raffinage du gaz en déplacement est difficile. Les réactions se produisent au-dessus de 800 °C, ce qui ralentit le démarrage des appareils et la chimie est capricieuse ; alors que le processus est couramment utilisé dans les usines de fabrication de produits chimiques et les raffineries de pétrole pour produire des volumes industriels d'hydrogène, le presser sous le capot est délicat. Un autre problème non résolu est la protection de la pile à combustible contre le soufre qui empoisonne le catalyseur dans l'essence.

Malgré les défis technologiques, General Motors et Exxon Mobil ont récemment annoncé le développement conjoint d'un processeur de carburant à essence et affirment qu'un véhicule de démonstration utilisant des piles à combustible alimentées par le processeur pourrait être prêt d'ici 18 mois. Le constructeur automobile soutient que même si l'hydrogène sera probablement le carburant du futur, la technologie de traitement de l'essence fournira une transition critique pour rendre les voitures à pile à combustible pratiques.

D'autres ne veulent pas attendre le transformateur d'essence. DaimlerChrysler développe un système au méthanol. Certaines piles à combustible fonctionnent directement au méthanol plutôt qu'à l'hydrogène, mais les experts en piles à combustible affirment que cette technologie est à au moins sept ans du niveau d'efficacité requis pour alimenter une voiture. Ainsi, utiliser le méthanol comme carburant aujourd'hui revient à en extraire l'hydrogène. Le méthanol est une cible plus facile que l'essence car il ne contient pas de soufre et produit de l'hydrogène à une température relativement douce de 300 °C. Mais le raffinage du méthanol reste un processus complexe impliquant de nombreuses étapes, chacune devant avoir lieu à une température particulière.

Le processeur de méthanol sous le capot du Commander II dégage suffisamment d'hydrogène pour emmener le véhicule à moins de 200 kilomètres entre les pleins de méthanol. La portée est limitée par la petite taille du réservoir de carburant, conséquence du processeur de carburant encombrant. Le gros problème, cependant, est que le processeur de carburant met une demi-heure à se réchauffer, ce qui est une demi-heure de plus que ce que les conducteurs sont prêts à attendre. Le problème est que le processeur utilise de la vapeur pour libérer l'hydrogène, et obtenir une tête de vapeur prend du temps, comme c'était le cas pour les voitures à vapeur du début des années 1900.

DaimlerChrysler, Ford et Ballard disent qu'ils travaillent sur une solution : un processeur de carburant de nouvelle génération qui utilise un catalyseur, plutôt que de la vapeur, pour démarrer la production d'hydrogène. Le nouveau système est beaucoup plus petit - légèrement plus gros qu'une boîte de classement - et pèse deux fois moins que la bête coincée sous le capot du Commander II. Mais ce petit processeur de carburant sophistiqué a mis du temps à arriver. Ford et DaimlerChrysler avaient tous deux prévu de montrer la technologie dans les voitures de démonstration ce printemps, mais seules Ford sont apparues sur le circuit du salon de l'auto et son processeur de carburant ne fonctionnait pas. Selon Kopf de Ford, les deux sociétés ont décidé de mettre en commun leurs ressources - y compris les rares ingénieurs automobiles à l'aise avec les systèmes de communication du véhicule électrique - pour faire fonctionner le processeur dans le prochain concept-car de DaimlerChrysler. Le système est tellement compliqué, et il y a beaucoup d'ordinateurs qui se parlent, dit Kopf. Il n'y a pas beaucoup de gens dans le monde capables de les faire fonctionner.

Alors que ces ingénieurs d'élite s'affairent sur les catalyseurs et les contrôles, les doutes grandissent quant à la viabilité du méthanol en tant que produit de consommation. Le méthanol est une substance désagréable - non seulement il peut s'avérer mortel s'il est ingéré, mais même en l'éclabousser sur la peau peut provoquer la cécité et une insuffisance hépatique et rénale. Et parce que le méthanol se dissout dans l'eau, il constitue une menace pour l'approvisionnement en eau potable souterraine. Cela rend les compagnies pétrolières nerveuses ; ils se démènent déjà pour extraire l'additif pour carburant à base de méthanol MTBE (méthyl tertiobutyléther) de leur essence, après que le produit chimique au goût désagréable a commencé à apparaître dans l'eau potable de Californie.

La solution la plus évidente, bien sûr, est d'utiliser directement l'hydrogène comme carburant. Cela éliminerait le besoin d'un reformeur ainsi que le dioxyde de carbone qui réchauffe le climat qu'il génère (bien qu'une certaine quantité de CO2 soit encore libérée lors de la production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles, la méthode la plus courante aujourd'hui). Le problème est que même si l'hydrogène contient plus d'énergie en poids que tout autre carburant (environ trois fois plus que l'essence), il est difficile de mettre une grande partie de ce gaz énergétique dans un réservoir de carburant. Emballez un réservoir de gaz comprimé disponible dans le commerce avec de l'hydrogène, et cela prendra à peine 150 kilomètres à votre véhicule, pas plus loin que les meilleures batteries de voiture d'aujourd'hui. L'hydrogène est également la plus petite des molécules et glisse à travers les plus petits trous - un trait inquiétant, étant donné son inflammabilité caractéristique. (Vous vous souvenez du Hindenburg ?) DaimlerChrysler a poussé une voiture de démonstration sur 450 kilomètres en utilisant un réservoir d'hydrogène liquide, mais la technologie cryogénique pour stocker le carburant à -253 C (juste 20 degrés au-dessus du zéro absolu) n'est pas mature pour les marchés de masse. Et bonne chance pour trouver une station-service à hydrogène - il n'y en a qu'une demi-douzaine dans le monde.

La disponibilité de l'hydrogène peut devenir moins un problème, cependant, à mesure que les grandes compagnies pétrolières se préparent au défi de la distribution du gaz. Graham Batcheler, président de Texaco Energy Systems, la filiale des carburants avancés du géant pétrolier à Houston, a déclaré que la société pense que la pile à combustible remplacera le moteur à combustion interne à long terme. Il considère qu'il est inévitable que les conducteurs fassent le plein d'hydrogène et il souhaite qu'ils le fassent dans une station Texaco. Plutôt que de se battre pour protéger sa franchise essence, Texaco investit dans la technologie clé pour rendre possible le ravitaillement en hydrogène : des réservoirs de stockage avancés.

Une possibilité pour résoudre le problème du tassement de l'hydrogène consiste simplement à repenser la compression. Des réservoirs plus solides pourraient comprimer l'hydrogène à des pressions plus élevées, ou des châssis de véhicules radicalement repensés pourraient accueillir des réservoirs massifs mais de forme étrange. Une autre option consiste à emballer des réservoirs remplis de matériaux qui lient l'hydrogène, ralentissant les molécules sans liquéfier le gaz. Il a été démontré, par exemple, que les fibres de graphite avec des nanostructures complexes absorbent plus de 20 % d'hydrogène en poids, ce qui permet de charger beaucoup plus de gaz dans un réservoir.

Consommer des visions

Compte tenu des défis, Johannes Ebner, directeur du programme de piles à combustible de DaimlerChrysler responsable de l'infrastructure de carburant, reconnaît que les estimations antérieures de la société mettant 20 000 à 40 000 voitures sur la route en 2004 semblent désormais irréalistes : ce sera une production très limitée. Ballard, DaimlerChrysler et Ford commenceront à tester leurs technologies sur les consommateurs l'année prochaine en Californie, où des exigences strictes pour les véhicules non polluants devraient entrer en vigueur en 2003. Le California Fuel Cell Program (formé par ces trois sociétés avec d'autres constructeurs automobiles, fabricants de piles et plusieurs grandes compagnies pétrolières) prévoit de mettre 60 voitures et autobus à pile à combustible sur la route, éloignant les véhicules à pile à combustible des mains d'ingénieurs prudents et des mains de consommateurs exigeants.

Ces voitures californiennes, comme la Commander II, seront construites sur mesure. Le véritable test pour les piles à combustible viendra lorsque les voitures produites en série prendront la route, ce que Ford et DaimlerChrysler se sont engagés à faire en 2004, tout en sachant qu'ils perdront de l'argent avec eux. Nous avons déclaré que nous aurons des véhicules entre les mains du public, et il existe des programmes pour le faire, mais cela ne veut pas dire qu'ils sont commercialement viables, déclare Kopf de Ford. Il concède que les voitures à pile à combustible sont maintenant beaucoup plus chères que les voitures à batterie, qui elles-mêmes ne sont pas bon marché. Ford devrait facturer au moins 35 000 $ pour couvrir les coûts de son pick-up Ranger alimenté par batterie, près de trois fois plus que le prix qui lui rapporte un profit pour un Ranger à moteur à combustion sans fioritures.

Pourquoi les constructeurs automobiles envisagent-ils de perdre de l'argent ? Kopf dit qu'il y a toujours la possibilité que la technologie soit rentable plus tôt que prévu. L'instabilité au Moyen-Orient, par exemple, pourrait faire grimper l'essence à 5 $ le gallon, poussant les Américains à rechercher l'efficacité énergétique, tout comme l'ont fait les crises pétrolières dans les années 1970. Nous voulons avoir développé une capacité d'ingénierie de base pour savoir où sont les problèmes, où nous devons simplifier. Nous voulons être préparés.

Mais il dit que la motivation ultime est à long terme. La pile à combustible promet de rendre l'automobile durable, en réduisant la pollution et en la libérant de la politique du pétrole, et en veillant à ce que Ford puisse faire autant de victimes au cours de ce siècle qu'au cours du dernier. Le grand attrait des piles à combustible est la promesse de zéro émission d'échappement, potentiellement aucune émission de gaz à effet de serre et d'indépendance énergétique, explique Kopf. C'est le Saint Graal de l'industrie automobile.

En regardant vers l'avenir, Kopf imagine un monde dans lequel l'électricité provenant de sources renouvelables telles que l'éolien et les cellules solaires génère de l'hydrogène à partir de l'eau - l'inverse du processus de pile à combustible - pour alimenter une flotte de véhicules à pile à combustible. Vous pourriez créer un système de carburant et un véhicule qui ne produisent aucun gaz à effet de serre et aucune émission d'échappement - un cycle hydrogène-oxygène-eau durable pour toujours. C'est le but ultime.

On pourrait s'attendre à ce que ce genre de discours énerve les dirigeants de DaimlerChrysler, qui a récemment annoncé un programme d'urgence visant à réduire de 2 milliards de dollars les opérations afin d'apaiser l'anxiété des actionnaires face à la baisse des cours des actions et aux faibles rendements. Mais Ebner dit que le président de DaimlerChrysler, Juergen Schrempp, protège personnellement la ligne de crédit d'un milliard de dollars du programme de piles à combustible en tant que pipeline vers l'avenir. La vision de Schrempp semble encore plus messianique que celle de Kopf.

Dans un récent discours prononcé à la World Engineers Convention, l'ingénieur devenu chef d'entreprise a imploré les ingénieurs du monde entier d'abandonner leurs projets et de sauter dans le train des piles à combustible. La logique de Schrempp ? Veiller à ce que les générations futures ne soient pas submergées par le changement climatique mondial et les bouleversements économiques dus à la baisse des approvisionnements en pétrole. Nous partageons tous la responsabilité de mener à bien ce projet, la responsabilité de mener à bien ce projet, car la prise de responsabilité fait partie de la dignité de l'être humain.

ENTREPRISES STRATÉGIE DES PLANS DaimlerChrysler , Systèmes d'alimentation Ballard , et Moteur Ford Partenariat pour commercialiser des piles à combustible, des processeurs de combustible et des entraînements électriques. Ballard se concentre sur la réduction des coûts des piles à combustible, tandis que DaimlerChrysler et Ford font la démonstration de véhicules intégrés fonctionnant à l'hydrogène comprimé, à l'hydrogène liquide et au méthanol. Prévu pour faire la démonstration de 30 à 40 véhicules en Californie entre 2001 et 2003. Conception de modèles pour une production limitée en 2004. DG et Toyota Partenariat sur les voitures électriques. Les deux sociétés, leaders dans les technologies hybrides à batterie et essence-électricité, ont développé des concept cars entièrement fonctionnels à pile à combustible, des piles à combustible et des systèmes de stockage d'hydrogène. Honda Haussier quant à sa technologie de combustion interne ultra-propre, mais aussi investir dans les piles à combustible. Honda a construit des concept cars à pile à combustible avec des piles Ballard et des piles exclusives, mais l'équipement occupe l'espace des passagers arrière. Prévoit d'avoir un ensemble de technologies prêtes pour la commercialisation de voitures à pile à combustible d'ici 2003, mais n'a pas encore annoncé de plans de production. Nissan A adapté son break alimenté par batterie pour transporter des piles à combustible Ballard et un processeur de méthanol, mais l'équipement occupe l'espace des passagers arrière. Prochain prototype pour ranger l'équipement sous le plancher. Pourrait produire des voitures à pile à combustible dès 2003. BMW, International Fuel Cells et Delphi Automotive Systems Partenariat pour remplacer les batteries par des unités de puissance auxiliaires (APU) à pile à combustible dans les voitures à combustion. Prévoit de commercialiser des APU à pile à combustible d'ici 2005.

cacher