Conclusion sur les systèmes PAC pour l’aéronautique : des PAC hybridées

Ces applications montrent que la faisabilité des piles à combustible de type PEM n’est plus à prouver, mais plusieurs défis demeurent aujourd’hui :

 Augmentation de la durée de vie de la PAC. Il est difficile de savoir où en est la durée de vie des systèmes PAC à l’heure actuelle, d’après [TUR-09] des systèmes ont tourné durant 10 000 h (> une année), ceci étant suffisant pour une application

21 automobile (cela correspond à 500 000 km pour une vitesse de 50km/h) mais pas pour une application aéronautique (objectif > 60 000 h) ou stationnaire (objectif

> 40 000 h). [DOE-11] annonce que la société UTC Power a lancé en 2009 un système (PureCell System Model 400) permettant de fournir 400kW avec une durée de vie du stack de 10 ans soit 80 000 heures (trois à quatre fois plus longue que celle des produits concurrents selon l’auteur) et une durée de vie du système de 20 ans.

En revanche la technologie de ce dernier est a priori une technologie PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell technology) différente de la technologie PEM visée.

Quant à la technologie PEM, le japon a vendu en 2011 plus de 8 000 stacks dont la garantie était de 40 000h, qui semble être le record en garantie sur la durée de vie pour des systèmes PAC de type PEM à l’heure actuelle, [DOE-11]. Les objectifs fixés pour l’aéronautique ou le stationnaire semblent donc tout à fait réalisables au cours des prochaines années.

 Diminuer le coût du système, même si cela n’est pas le point le plus critique en aéronautique. Le coût actuel d’une PAC PEM est de l’ordre de 1000 à 2000€/kW selon nos informations, beaucoup moins selon le Département de l’Environnement des Etats-Unis (US DOE) qui estime le coût à 228 USD/kW en 2010 avec une projection à 51USD/kW pour une fabrication en grand volume (500 000 unités par an) basée sur la technologie de 2010 [DOE-11]. Afin d’être concurrentiels face aux autres solutions, les objectifs de coût de revient des systèmes à PAC sont [ANT-06] :

- Stationnaire : 700 à 1500 €/kW - Transport Urbain : 150 à 300 €/kW - Automobile : 30 à 40 €/kW

Ces objectifs pourraient sont déjà presque être atteints si l’on s’en réfère au rapport [DOE-11]. L’objectif d’ici 2015 est d’atteindre le coût de revient des moteurs à combustion interne (30 €/kW).

 Augmenter la puissance massique des systèmes. En ce qui concerne le secteur aéronautique, cette donnée est primordiale étant donné le coût de chaque kg supplémentaire embarqué dans l’avion, une évolution est présentée en Figure I.10. En ce qui concerne le secteur stationnaire, la puissance massique n’est pas un critère primordial puisque le système n’est pas à mettre en mouvement, en revanche pour le secteur automobile, les objectifs sont déjà atteints. A ce sujet, notons que Toyota a annoncé la commercialisation de véhicules à PAC prévue pour 2016 avec une densité de puissance de la PAC de 3 kW/L [TOY-12], ce qui est largement au-dessus des exigences pour l’aéronautique données à 0,67 kW/L dans [HIE-07].

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a) Effet de synergie de l’aéronautique b) Objectifs de développement technique Figure I.10 : Evolution et effets de l’augmentation de la puissance massique des systèmes PAC

[HIE-07].

D’après la Figure I.10.a), l’introduction des systèmes PAC en aéronautique aura un effet très positif sur les systèmes stationnaires et automobiles. D’après la Figure I.10.b), les objectifs de puissance massique exigés par Airbus pour l’introduction de systèmes PAC en aéronautique seront très prochainement atteints.

Notons que les défis sont ici exprimés de manière indépendante : le système PAC qui est garantie 40 000h n'est pas forcément celui qui coutera le moins cher ou celui qui possédera la meilleure densité de puissance. Cependant cela nous amène à constater que les barrières sont loin d’être infranchissables et même à nous interroger sur le fait que les systèmes PAC ne soient pas plus développés à l’heure actuelle, en particulier dans le domaine des véhicules pile à combustible commerciaux.

Dans la plupart des applications aéronautique présentées ci-dessus, le système Pile à combustible est associé à un organe de stockage d’énergie électrique. Dans la majorité des cas, ce dispositif stockage est une batterie Li-ion car elle possède une énergie massique relativement élevée (de l’ordre de 150Wh/kg). Cette association est généralement appelée « hybridation ».

L’hybridation au sens énergétique se définit comme l’association de plusieurs sources d’énergie présentant des propriétés complémentaires en termes d’énergie, de puissance, et de dynamiques associées. Les motifs qui justifient le choix de l’hybridation sont particulièrement :

 Eviter un dimensionnement de la source d’énergie au point de puissance maximal.

En ajoutant un stockage adéquat, on peut dimensionner la source (ici le système PAC) non pas sur la puissance max à fournir mais sur le point de puissance moyenne [LAN-06], [GAR-07], [TUR-12], [TUR1-12].

 Dans le cas d’un fonctionnement H₂/Air, cela permet de palier la dynamique de la compression d’air [THO-07]. Dans le cas des PAC H₂/O2 comme celui des PAC H2/Air, la mise en œuvre des autres auxiliaires tel que la régulation des pressions et des débits est simplifiée puisque les dynamiques exigées pour la PAC sont plus faibles grâce à l’hybridation.

 Augmenter la durée de vie du système ; en effet, les variations de puissance rapides réduisent la durée de vie d’une PAC [SCH1-05], [RAL-11]. Les variations de puissance entraînent des variations de pression au niveau de la membrane donc des

23 efforts mécaniques sur celle-ci, qui à force la détériorent. Il faut naturellement que l’organe de stockage associé tolère bien les variations rapides de puissance.

D’après le plan de Ragone donné en Figure I.11, les candidats possédant le meilleur couple énergie massique et puissance massique sont les batteries Li-ion, les volants d’inertie et les supercondensateurs. Ce sont donc ces trois candidats qui pourront répondre le mieux à l’hybridation d’un système PAC dans un contexte d’économie de masse.

Figure I.11 : Caractéristiques puissance massique / énergie massiques des principales sources de stockage et de propulsion existantes– extrait et adapté de [MOU-10] et [FLY-04]. La littérature ne propose pas actuellement de documents de synthèse sur l’hybridation des PAC appliquée à l’aéronautique,), c’est pourquoi la partie suivante consacrée à l’hybridation des PAC notamment avec des supercondensateurs (SC) s’ouvre également à d’autres secteurs que celui de l’aéronautique. Il s’agit principalement du secteur automobile, mais aussi ferroviaire et stationnaire.