- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Récemment commercialisé
- Date de création
- Date de mise à jour
En bref
La pile à combustible (PAC) est un système qui transforme l’hydrogène et l’oxygène en chaleur, eau, et électricité.
La PAC n'émet aucune particule ni aucun gaz polluant, et le ravitaillement en carburant est rapide.
Malgré ces avantages, en France en 2023 on comptait 1320 véhicules à hydrogène, dont 955 véhicules légers.
Nous allons découvrir quelles sont les particularités de ce système, ses avantages et ses inconvénients.
- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Récemment commercialisé
- Date de création
- Date de mise à jour
Description détaillée
Vue d'ensemble du système
Un véhicule équipé de pile à combustible (PAC) est un véhicule propulsé électriquement dont l'énergie de traction est produite par une pile à combustible.
L'énergie de ravitaillement est de l'hydrogène.
Eléments constitutifs de la PAC
Le système d’alimentation électrique de ce véhicule est plus complexe qu’un véhicule 100% électrique, car on doit d’abord alimenter la PAC en hydrogène pour créer de l’électricité.
Les éléments qui constituent l'alimentation de la pile à combustible sont :
- Réservoir d’hydrogène équipé d’éléments de sécurité (électrovanne de sécurité, de thermofusible, de limiteur de débit etc.).
- Canalisations d’hydrogène (haute pression au niveau du réservoir, et basse pression après le détendeur).
- Détendeur double étage (la pression du réservoir est de l’ordre de 700 bars quand le réservoir est plein, la PAC a besoin d'une pression d’environ 2.5 bars, pour arriver à cette pression le détendeur abaisse la pression en 2 phases de détentes, d'où son nom).
- Système d’alimentation en air (filtre, compresseur, débitmètre etc.).
- Système de refroidissement de la PAC.
- Évacuation de l'eau produite par la PAC.
Les architectures du véhicule à pile à combustible
Il existe 3 architectures pour ce type d'énergie ;
- Le véhicule ayant l'hydrogène comme source d'énergie principale,
- Le véhicule à hydrogène équipé d'une batterie rechargeable,
- Le véhicule qui utilise l'hydrogène en prolongateur d'autonomie.
Nous allons les développer ci dessous.
- La puissance de la pile à combustible est la même que celle de la machine électrique.
- La batterie n’est pas rechargeable, elle sert de tampon énergétique et est utilisée lors de la récupération d’énergie en décélération et lors des variations rapides de courants.
Exemple de puissances et de capacité batterie
Puissance du moteur : 100 kW
Puissance de la pile à combustible : 100 kW
Capacité de la batterie : 1 à 2 kWh
On peut comparer cette architecture à celle d'un véhicule hybride non rechargeable (HEV).
- La puissance de la machine électrique est supérieure à celle de la pile à combustible.
- La batterie est rechargeable via une IRVE (Infrastructure de Recharge pour Véhicule Electrique).
- L’exploitation des deux sources d’énergie (batterie de traction et hydrogène) dépend des phases de fonctionnement du véhicule.
Exemple de puissances et de capacité batterie
Puissance du moteur : 100 kW
Puissance de la pile à combustible : 40 à 100 kW
Capacité de la batterie : 10 à 15 kWh
On peut comparer cette architecture à celle d'un véhicule hybride rechargeable (PHEV).
- Le rôle de la pile à combustible est de prolonger l’autonomie du véhicule.
- La pile à combustible est utilisée en dessous d'un certain état de charge batterie pour alimenter le moteur électrique et recharger la batterie de traction.
Exemple de puissances et de capacité batterie
Puissance du moteur : 100 kW
Puissance de la pile à combustible : 5 à 40 kW
Capacité de la batterie : 30 à 50 kWh
On peut comparer cette architecture à celle d'un véhicule électrique équipé d'un prolongateur d'autonomie thermique.
Les caractéristiques de l'hydrogène
- L'hydrogène est présent en grande quantité sur terre, mais toujours combiné à d'autres éléments. C'est pourquoi il faut l'extraire.
- Il est 14 fois plus léger que l'air.
- L'hydrogène présente les même risques d'inflammabilité que le GPL, risques connus et maîtrisés.
- L'hydrogène est plus léger que l'air, en cas de fuite, des évents sont prévus pour une évacuation du gaz hors habitacle, certains véhicules ont des capteurs d'hydrogène dans le véhicule (Hyundai IX35).
- C'est un gaz non polluant, incolore, inodore, ne détériore pas la couche d'ozone.
Types de production de l'hydrogène
Il existe plusieurs types de production d'hydrogène, certains procédés sont très prometteurs en terme d'émissions de CO2 mais restent encore à l'étude, c'est pourquoi nous allons détailler ci dessous ceux qui sont utilisés aujourd'hui :
- l'hydrogène noir,
- l'hydrogène gris,
- l'hydrogène vert.
Ils sont produits à partir de carburants fossiles selon 3 modes de production :
- Vaporeformage du méthane
- Oxydation partielle du pétrole
- Gazéification du charbon
Ces solutions émettent beaucoup de CO2 par kilogramme d'hydrogène produit :
- 10kg de CO2 pour l'hydrogène gris et 20 kg de C02 pour l'hydrogène noir).
Actuellement 95% de l'hydrogène est produit avec ces méthodes.
Il est produit à partir d'énergie (électricité) renouvelables :
l'électricité alimente un électrolyseur pour transformer l'eau en hydrogène et oxygène.
Cette solution émet peu de CO2 par kilogramme d'hydrogène produit, mais consomme de l'eau :
- 1 kg de CO2 émis et 10 kg d'eau consommé.
Actuellement 5% de l'hydrogène est produit avec ces méthodes.
A la pression atmosphérique l'hydrogène est inutilisable pour alimenter une pile à combustible, car il nécessiterait un immense espace de stockage.
La solution est de le comprimer à haute pression afin d'en stocker suffisamment à bord du véhicule. La solution utilisée actuellement en automobile est le stockage sous forme gazeuse sous une pression de 700 bars (350 bars pour les réservoirs de bus et poids lourds car ces véhicules disposent d'un plus grand espace).
Pour accepter de telles pressions, les réservoirs sont en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC).
Dans cet état, 5 kg d’hydrogène occupent un volume de 215 l sous 350 bars et 125 l sous 700 bars, un plein du réservoir ne prend que quelques minutes.
Faire le plein d'hydrogène
Il y a plus de 60 stations en France mais seulement une trentaine ouvertes au public. La facturation du plein est évaluée en masse et non en volume. Le plein de 5 kg d'hydrogène prend environ 3 minutes.
En 2024, le prix du kilogramme d'hydrogène à la station est compris entre 10 et 15 €, un plein de 5 kg revient donc entre 50 et 75 €.
Autonomie
Pour comparer les autonomies d'un Peugeot Expert sous différentes énergies, voici quelques chiffres :
- Diesel : 1100km
- Electrique : 230 km (178 km de 0 à 80%)
- Hydrogène ; 400 km (350 km en H2 et 50 km en électrique)
Consommation
Afin de comparer les consommations sous différentes énergies, voici quelques chiffres sur un Peugeot Expert :
- Diesel : 7.2l/100km (soit une énergie équivalente de 77kWh/100km)
- Electrique : 23 kWh/100km (soit une énergie équivalente de 23kWh/100km)
- Hydrogène : 1.25 kg/100km (soit une énergie équivalente de 41kWh/100km)
Principe de fonctionnement
Les piles à combustible sont des générateurs d'électricité qui transforment l'énergie d'une réaction chimique en courant continu.
Elles fonctionnent à l'inverse de l'électrolyse de l'eau.
- Ce circuit régule le débit et la pression d'hydrogène afin d'assurer sa circulation vers la pile à combustible.
- Le calculateur de commande de sécurité est capable de couper l'alimentation d'hydrogène en cas de fuite détectée.
- Le circuit de refroidissement assure la gestion thermique de la pile à combustible via un liquide déchargé électriquement grâce au filtre ionique.
- Le circuit d'air alimente en oxygène la pile à combustible, évite l'assèchement de ses membranes électrolytiques et permet l'évacuation de l'air et de la vapeur d'eau produits par la réaction.
Elle dispose comme un accumulateur d’une borne positive et d'une borne négative avec entre les deux un électrolyte.
- L'anode est alimentée en dihydrogène et la cathode en dioxygène,
- Le dihydrogène se dissocie en protons (H+) et en électrons (e-) en arrivant sur l'anode,
- Les électrons sont bloqués par la membrane et produisent un courant électrique, les protons traversent la membrane,
- Sur la cathode, les molécules de dioxygène captent les électrons et les protons pour former de l'eau (H2O).
Gnfa
Produits de la réaction
- L'oxygène et les ions de l'hydrogène se retrouvent sur la cathode, il y a formation de vapeur d'eau.
- La réaction crée de la chaleur pouvant être récupérée pour d'autres fonctions.
- De l'électricité.
Exemple : sur la Toyota Mirai, la PAC génère 1 Volt/ élément, et compte 370 éléments.
| Diffusion sur le marché | Même s'il y en a peu sur les routes, des modèles de véhicules PAC sont actuellement commercialisés (Hyundai Nexo, BMW iX5 Hydrogen, Toyota Mirai, Citroen Jumpy H2, Renault Master H2). |
|---|---|
| Constructeurs concernés | Hyundai |
| Innovation engendrant des entretiens | Oui |
| Innovation engendrant des réparations | Oui |
| Types de réparations | Types d'opérations :
|
| Dispositif législatif en rapport avec l'innovation | NFC 18-550 Selon cette réglementation, les interventions sur la chaine de traction d'un véhicule électrique ou hybride, nécessite une habilitation pour être autorisé à intervenir. Pour en savoir plus, rendez-vous au chapitre "Impact sur les compétences en atelier "Niveau d'habilitation pour la PAC : B2XL opération batterie, |
| Contrôle technique | Du point de vue du contrôleur technique, un véhicule qui fonctionne en produisant son énergie à partir d'une pile a combustible sera considéré comme n'importe quel autre véhicule électrique ou hybride et contrôlé comme tel. Depuis le 01 janvier 2014, les centres de contrôle technique doivent être en mesure de contrôler les véhicules électriques ou hybrides comme le prévoit l'arrêté du 18 juin 1991 modifié. Ce texte impose que les contrôleurs doivent disposer d'une habilitation électrique spéciale pour contrôler les VE/VH.
Pour effectuer ces contrôles dans de bonnes conditions de sécurité, les contrôleurs techniques doivent porter leurs équipements de protection individuels (EPI), par exemple leurs casque isolant, gants isolants et sur-gants en cuir, visière de protection anti-UV... En plus de la partie électrique le contrôleur doit vérifier que le signal d’avertissement (voyant de défaillance ou message) ne reste pas actif, interrupteur « marche-arrêt » du véhicule en position marche et ceinture de sécurité attachée. Il vérifie également l’état et la fixation :
Enfin, une vérification de la conformité du réservoir est réalisée , en vérifiant la date limite d'utilisation apposée sur l'étiquette à proximité de l’embout de remplissage au revers d’une trappe ou sur le réservoir. |
| Mots-clés | fuel cell, pile à combustible, mirai, ix35, véhicule à hydrogène, PAC, FCEV |
Méthodes et pratiques
Les interventions seront les mêmes que sur un véhicule 100% électrique.
On ajoute en plus :
- La PAC qui est spécifique (rassemble les risques dû à l'hydrogène, et à l'électricité)
- La partie haute pression (stockage hydrogène) qui entraîne des risques qui ne sont pas électriques.
L'hydrogène étant un gaz hautement inflammable, toute intervention sur la pile à combustible et son environnement doit respecter une réglementation ATEX stricte.
La zone ATEX pour "Atmosphère explosive", désigne un environnement dans lequel le risque d'explosion est élevé en raison de la présence de combustibles, visibles ou non à l'œil nu.
Les obligations d'une zone ATEX :
- Détection de fuite d'hydrogène,
- Coupure automatique de l'alimentation en hydrogène si une fuite est détectée avec des dispositifs de coupure électronique et mécanique,
- Utilisation d'outils et d'EPI antistatiques pour éviter la création d'étincelles,
- Stocker et réparer les systèmes à hydrogènes dans des zones ventilées.
Actuellement il n'y a pas de réglementation ATEX pour l'automobile, c'est donc la réglementation industrielle qui s'applique.
| Entreprises concernées aujourd'hui | Véhicules industriels, RA1 |
|---|---|
| Métiers concernés | Mécanicien technicien VI-VU, Mécanicien-Technicien Auto |
| Précisions sur les métiers concernés | MRA, RA1, RA2, Spécialistes : Activités de diagnostic, de contrôles et de remplacement de pièce |
Impact sur les compétences en atelier
Sécurité :
Le véhicule équipé d'une PAC a une chaîne de traction électrique. Pour intervenir sur ce véhicule, il est donc nécessaire d'avoir été formé au préalable sur cette technologie et de posséder les niveaux d'habilitations requis ainsi que le niveau B2XL opération batterie pour réaliser la connexion / déconnexion de la pile à combustible.
Les interventions de réparation et de diagnostic sur ces systèmes exige de :
- Connaître les caractéristiques du produit (hydrogène).
- Connaître les précautions de stockage et d'interventions sur la partie haute pression.
- Connaître le fonctionnement d'une pile à combustible.
- Savoir appliquer une méthode de diagnostique.
- Savoir utiliser un outil de diagnostique.
- Savoir faire des contrôles hydrauliques et pneumatiques.
- Etre habilité aux risques électriques (hors tension et PAC).
- Etre formé sur les particularités de cette technologie.
Les interventions d'entretien nécessitent de:
- Connaître les procédures d'intervention,
- Posséder à minima un niveau averti.
Les personnes ne possédant pas d'habilitation ou à minima d'un niveau averti ne sont pas autorisées à intervenir sur ces véhicules.
Les habilitations
Le travail sur véhicules électriques et hybrides nécessitent une habilitation selon la réglementation NF C18-550.
Il est important de bien identifier les limites d’actions de son titre d’habilitation.
Voici quelques exemples d'interventions et le titre d'habilitation nécessaire pour être autorisé à réaliser l'intervention :
Votre titre d’habilitation est lié à une norme délimitant votre périmètre d’action. Les métiers de l’automobile sont liés à la norme NFC 18-550. Cette norme ne vous autorise pas à travailler sur les infrastructures électriques (prise, borne de recharge…)
Pour cela, il est important d’identifier quel « domaine d’intervention » est couvert par votre titre d’habilitation.
Dans le domaine de l’automobile, on distingue plusieurs types d’intervenants :
•Une personne NON habilitée - Ordinaire
C’est une personne n’ayant reçu aucune formation sur les risques électriques. Ne sachant pas analyser les risques électriques et donc intervenir en sécurité, elle n’est pas autorisée à intervenir sur un véhicule électrique ou hybride.
•Une personne NON habilitée – Avertie
C’est une personne ayant suivi une formation sur les risques électriques. A travers cette formation et une évaluation, l’apprenant a justifié qu’il est en mesure de réaliser une analyse de risque avant d’intervenir. Il est donc autorisé à travailler sur un véhicule électrique (hors chaîne de traction) si le véhicule est conforme. En cas de détection d’un risque, il stoppe son activité, et alerte la personne qui devra sécuriser ce véhicule.
•Une personne habilitée – B0L
C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux non électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à travailler hors chaîne de traction. A condition que le véhicule ne présente pas de risque électrique. Elle connaît ses limites d’interventions et ne travaille pas en présence de risque électrique.
•Une personne habilité - B2L
C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sur la chaîne de traction du véhicule, si celui-ci est consigné. Elle ne travaille pas en présence de risque électrique.
•Une personne habilitée – B2VL
C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques au voisinage, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à sécuriser la chaîne de traction d’un VE/VH au voisinage d’une PNST (c’est-à-dire à moins de 30 cm), même si elle n’est pas consignée, par exemple pour isoler une pièce nue sous tension. Elle est équipée d'EPI.
•Une personne habilitée – BCL
C’est une personne habilitée à consigner un VE/VH, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est équipé d’EPI.
Un BCL seul n'est pas autorisé à travailler sur un véhicule électrique ou hybride. Il le consigne pour permettre à une personne habilitée (B2L, B2VL…) de faire les réparations.
Dans l’automobile on trouve rarement des personnes habilitées uniquement BCL !
•Une personne habilitée – B2TL
C’est une personne habilitée aux travaux sous tension, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sous tension, c’est-à-dire intervenir dans la batterie de traction.
Exemple : Remplacement d’un module dans la batterie, d’un capteur, d’un bus bar, d’un BMS, des relais de puissance...
Elle a des EPI spécifiques, et ne travaille qu’avec des outils isolés. Une habilitation sous tension ne remplace pas une habilitation hors tension.
Exemple d’outillage approprié
Selon la norme NF C18-550, L'ensemble des outils utilisés lors d'intervention sur chaine de traction doivent répondre à un niveau d'isolation de 1000 Volts.
Tous les outils classiques du mécanicien( clé plate, clé à pipe, cliquets, douilles, pinces, tournevis, etc...) existe en version isolé 1000V.
Outillage nouveau :
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