MOBILITÉ : ACTIVITÉS INDUSTRIELLES EN FRANCE 9.1.10... · ce type de développement, avec des propositions nouvelles comme l’utilisation d’une pile SOFC au lieu d’une pile

Fiche 9.1.10

Révision mai 2019 Source : AFHYPAC- Thierry Alleau

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Mémento de l’Hydrogène FICHE 9.1.10

MOBILITÉ : ACTIVITÉS INDUSTRIELLES EN FRANCE

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

1. Généralités Les activités françaises dans le domaine de l’application de l’hydrogène et 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 à l’époque, 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)1. 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). Ce premier engagement officiel des pouvoirs publics pour l’hydrogène et la pile à combustible s’est ensuite poursuivi en 1999 par la création du premier réseau national rassemblant les acteurs français, baptisé PACo (Pile A Combustible) ensuite suivi par de nombreuses autres initiatives publiques détaillées dans la fiche 8.3. Plusieurs années de travaux de R&D ont ainsi permis aux constructeurs automobiles et équipementiers français d’acquérir des connaissances dans ce domaine et de lancer leurs propres programmes de développement. Les paragraphes suivants les décrivent brièvement.

1 Groupement d’Intérêt Economique pour la Recherche PSA Renault

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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 –devenu 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 a été 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), 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)

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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 présenté2 (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.

Figure 3 – Prototype de reformeur embarqué Nuvera (2004)

Figure 4 – Concept Renault de véhicule à pile à combustible avec reformeur embarqué

2 Revue Clefs CEA n°50-51, 2004-2005

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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 kW 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. En octobre 2012, Renault fournit quelques exemplaires de sa voiture électrique Kangoo ZE à la start-up grenobloise Symbio qui les équipera de prolongateurs d’autonomie à pile à combustible. En février 2013, Renault annonce avoir signé un partenariat avec Ford et Daimler pour développer des voitures électriques à pile à combustible qui pourraient voir le jour en 2017…. Mais depuis cette date aucune information confirmant ce projet n’a été diffusée. Malgré le succès commercial de la Kangoo ZE REH2 vendue par Symbio, Renault s’est contenté de livrer ses véhicules (plus de 300 exemplaires au total début 2019) sans chercher à développer une quelconque collaboration. Depuis cette date, aucune autre présentation n’a été faite par Renault qui a délégué à sa filiale Nissan ce type de développement, avec des propositions nouvelles comme l’utilisation d’une pile SOFC au lieu d’une pile PEM.

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

3. Le programme PSA Peugeot Citroën C’est en 1990 que PSA a initié des travaux sur le véhicule à pile à combustible. En 1996, PSA a poursuivi ses développements 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 projet Hydro-Gen, qui avait pour objectif de développer un successeur au véhicule Fever de Renault, mais dans un concept intégré, sur une base PSA Partner, et utilisant un réservoir d’hydrogène sous pression au lieu d’un réservoir d’hydrogène liquide. 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 6) 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 (voir figure 7)

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

- une batterie NiMH de 10 Ah.

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En mai 2001, le prototype (voir figure 8) a débuté ses premiers essais. Peu après, PSA présentait le Taxi PAC sur la même base Partner (voir figure 9) qui était, contrairement au prototype Hydro-Gen, un véhicule électrique à batteries 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 sous 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.

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)

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.

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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 (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 PACo3 (voir figure 12). Ce module fournit une puissance de 80 kW : il est constitué de 4 sous-modules de 20 kW équipés de plaques bipolaires 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, baptisé FiSyPAC.

3 Le programme national PACo (Pile à Combustible) a été remplacé en 2005 par le programme PAN’H, puis H-PAC

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En mars 2006, PSA a ouvert un centre de recherche sur les piles à combustible en partenariat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA), qui emploiera une cinquantaine de chercheurs et de techniciens. L'objectif était de concevoir une pile à combustible d'une puissance de 80 kW, compatible avec les contraintes techniques et commerciales d'une voiture.

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 kW 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 d’hydrogène 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 (Fig. 14), 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). Il a été baptisé 207 E-Pure.

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Figure 14 – Le démonstrateur FiSyPAC 307 E-Pure (2009)

A partir de cette date, PSA a traversé une longue période de silence sur le sujet jusqu’en avril 2018 quand, à la surprise générale, compte tenu des propos critiques qu’il avait tenus jusque-là, Carlos Tavares, Président du groupe PSA, annonce que PSA travaillait « très activement » sur la pile à combustible. Selon lui, ces travaux devraient aboutir sur "des choses très concrètes dès l'année prochaine" (n.d.l.r. c'est-à-dire en 2019).

De fait, en février 2019, PSA confirme, dans son nouveau plan tri-annuel Push to Pass 2019-2021, qu’il lancerait son retour dans la production de véhicules à pile à combustible en s’appuyant sur l’acquisition d’Opel, avec son centre de R&D de Rüsselheim qui avait beaucoup travaillé sur cette filière quand il était lié à General Motors, jusqu’en 2014.

4. Le programme Michelin –Symbio - Faurecia 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 PEM de 30 kW, fournie par PSI (Paul Scherrer Institute, en Suisse) et alimentée en hydrogène – oxygène et non en air comme pour tous les autres prototypes existants.

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

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

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 atteignait 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.

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Après cette date, Michelin a cessé ses développements en propre mais continuait néanmoins à manifester de l'intérêt pour cette filière dans le cadre de quelques actions: - les manifestations annuelles du "Challenge Bibendum" qui accueillent des véhicules à pile à combustible, - sa participation au projet FAM F-City H2 en 2011 … qui n’a pas connu de suite après la présentation d’un premier prototype, - son entrée chez Symbio FCell. En mai 2014, Michelin entre dans le capital de la PME grenobloise Symbio FCell qui équipe des véhicules électriques Renault Kangoo ZE de prolongateurs d'autonomie à pile à combustible.

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

Figure 16 – La Swatch Belenos ELV2 (2011)

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Le programme Symbio

SymbioFCell4, PME grenobloise créée en avril 2010 par Fabio Ferrari, avec le support de Siemens (Grenoble), équipe plusieurs types de véhicules avec une pile à combustible (de 5 à 300 kW) : véhicules légers, bennes à ordures ménagères, véhicules spéciaux (prototype de F1, dameuses, …), bateaux.

Son "cheval de bataille" devient rapidement le développement d'un prolongateur d'autonomie (Range Extender à pile à combustible) pouvant équiper le véhicule Renault Kangoo électrique ZE qu'il baptise Kangoo ZE H2 ou HyKangoo ZE. Ce prolongateur a été réalisé autour d’une pile à combustible conçue par le CEA/LITEN à Grenoble. Il est destiné à des flottes captives. Ce prolongateur (cf. Fig. 17) 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 (fin 2014) du prolongateur était de 26 000 euros (fabrication à l'unité).

Figure 17 - Le prolongateur d'autonomie de SymbioFCell

Plusieurs exemplaires ont été déployés dans le cadre du projet européen FCH-JU MobyPost (cf. Fig. 18) démarré en 2011 et 50 autres ont été déployés dans le cadre du projet français MOBILHyTest démarré en août 2013. Puis Symbio FCell s’associe à La Poste et Renault Trucks pour diverses démonstrations.

4 https://www.symbio.one/

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Figure 18 – La Renault HyKangoo ZE à prolongateur d’autonomie à pile à combustible (MobyPost)

En Janvier 2014, la région Franche-Comté et La Poste démarrent un test en conditions réelles de distribution de courrier, sur une année, de 3 exemplaires du véhicule électrique HyKangoo ZE.

En mars 2015, Symbio équipe un Maxithy Renault Trucks d'un prolongateur à pile à combustible qui est mis en service avec la Poste à Dôle.

En novembre 2015, le Levenmouth Community Energy Project (LCEP), en Grande Bretagne, annonce la commande de 15 exemplaires de la HyKangoo.

En mai 2016, Symbio FCell annonce qu’il remplace les réservoirs 350 bars par des réservoirs 700 bars pour augmenter la masse d’hydrogène stocké et donc l’autonomie.

En février 2017, la Ville de Paris annonce l’arrivée de plusieurs HyKangoo à Montorgueil, co-financés par l’Ademe,

En février 2019, Symbio FCell, devenu Symbio, est acheté par le groupe Michelin et est intégré au groupe. Plus de 300 véhicules HyKangoo circulent en Europe.

En mars 2019, Michelin et Faurecia, lequel avait signé un accord de collaboration avec le CEA en 2017 sur le développement de la pile à combustible, créent une co-entreprise autour de Symbio, détenue à 50-50. Faurecia travaille notamment sur les réservoirs, dans le cadre d’un partenariat avec Stelia Aerospace Composite.

5. Autres programmes A partir de 2013 d’autres industriels français se sont lancés dans cette voie, en particulier pour les vélos, les chemins de fer et les bus. 5.1 – Pragma Industries5

Fondée en 2004, Pragma Industries présente en mai 2013 un vélo à pile à combustible, baptisé Alter Bike (cf. Fig. 19), fruit d'une collaboration entre les sociétés Cycleurope, Pragma Industries et Ventec. C'était un engin hybride (pile à combustible + batterie Li-ion) qui devait être commercialisé sous la marque Gitane. L’hydrogène était stocké dans des capsules chimiques interchangeables. Il n’y a pas eu de suite à ce programme.

5 https://www.pragma-industries.com/fr/

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Figure 19 - Le vélo Alter Bike (2013)

En octobre 2015, Pragma présente un nouveau modèle baptisé Alpha Bike (fig. 20).

Figure 20 – Le vélo Alpha Bike

Il est mis sur le marché en mars 2018. Il dispose d’une autonomie de 100 kms (contre 50 kms en moyenne pour un vélo électrique) avec un temps de recharge inférieur à une minute dans la version la plus récente. L’hydrogène est stocké sous pression. Soixante dix exemplaires sont d'ores et déjà en circulation à Saint-Lô, Cherbourg, dans l'agglomération de Bayonne, à Biarritz, Anglet et Boucau mais aussi près de Toulouse, dans le cadre du projet Ademe BHYKE.

En mai 2019, Engie a signé l’acquisition de 200 exemplaires.

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5.2 – Alstom Transport6

En septembre 2014, Alstom Transport, filiale d’Alstom, le Länder of Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen et Baden-Württemberg et les autorités des transports publics de Hesse, signent une lettre d'intention pour développer un nouveau système de transport ferroviaire hybride à pile à combustible et batterie pour des trains régionaux en Allemagne. La structure portante retenue était la rame Coradia iLint (figure 21).

A cette époque, cette information était tombée dans l’indifférence générale en France. Les premiers essais sont effectués avec succès en mars 2017. En 2018, deux exemplaires sont fabriqués et mis en circulation. Ce résultat semble enfin intéresser la SNCF et en novembre 2018, annonce son intention de tirer un trait sur les locomotives diesel et de passer progressivement à l’hydrogène. Son plan est de commencer à les remplacer d’ici 2022 pour les éliminer complètement vers 2030-2035. Selon le rapport Simian, déposé fin 2018, la SNCF pourrait s’appuyer sur la technologie développée par Alstom mais sous une forme différente, à savoir des trains non plus à hydrogène seulement mais hybrides électrique-hydrogène du fait de la typologie particulière du réseau ferroviaire français : contrairement à la technologie développée avec les allemands, le train ne serait pas complètement autonome en énergie mais éventuellement couplé à une alimentation électrique extérieure par caténaires sur les portions de ligne déjà équipées. Depuis, plusieurs régions se proposent de mettre en œuvre cette nouvelle technologie ; des choix devraient être officialisés sous peu.

Figure 21 – le train Coradia iLint (2017)

5.3 – Safra7

Suite au succès remporté par la mise en service de centaines de bus à pile à combustible dans plus de 23 pays, la Safra, société albigeoise de fabrication et de réparation automobile, a remporté, en avril 2018, un appel d'offres du syndicat mixte des transports Artois-Gohelle pour son «Businova» de 12m (cf. fig. 22) qui serait équipé d’une pile Michelin et d’une batterie Li-ion et qui deviendrait, à ce titre, le premier bus à pile à combustible 100% français. Six exemplaires seraient fabriqués pour être mis en service dans la ville de Lens.

6 https://www.alstom.com/fr/alstom-en-france

7 http://www.safra.fr/fr/accueil/homepage.html

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Figure 22 – Le bus Businova de la Safra (2019)

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