Comment fonctionne une pile à hydrogène dans un bus ? Tout savoir sur la pile à combustible.

Les transports publics sont à la croisée des chemins. La nécessité de décarboner la mobilité et d'améliorer la qualité de l'air appellent de nouvelles solutions de mobilité. Les bus à hydrogène offrent une alternative prometteuse aux bus diesel et aux bus électriques à batterie.

La pile à combustible est au cœur de cette transformation. Cet article donne un aperçu de cette technologie, de son intégration dans les bus et les cars, ainsi qu'une comparaison avec d'autres technologies.

1. Comment fonctionne une pile à combustible à hydrogène ?

Contrairement aux carburants fossiles, lors de son utilisation dans une pile à combustible, l'hydrogène est une énergie propre. Une réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène produit de l'électricité et ne rejette que de l'eau et de la chaleur, c’est pour cette raison que l’on parle de technologie « zéro émission ».

1.1 Anode et cathode

• L'hydrogène gazeux (H₂) est injecté dans l'anode. La couche catalytique de l'anode le divise en protons d'hydrogène (H+) et en électrons (e-).
• De la même manière, l'oxygène (O₂) de l'air transite par la cathode. La couche catalytique de la cathode favorise la réduction de l'oxygène puis sa combinaison avec les ions hydrogène, pour produire de l'eau (H₂O) et de la chaleur.

1.2. Le circuit électrique

• Les électrons produits au niveau de l'anode ne peuvent pas se recombiner directement avec l'oxygène au niveau de la cathode. Ils sont contraints de passer par un circuit électrique externe, générant un courant continu. Ce courant peut alors alimenter un moteur électrique ou recharger une batterie auxiliaire.

1.3. La membrane échangeuse de protons

• Pour les piles à membrane échangeuse de protons, la membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane en anglais – soit PEM) qui sépare l'anode de la cathode est un élément clé. Elle doit être perméable aux protons d'hydrogène (H+) tout en bloquant les électrons (e-), permettant ainsi la circulation du courant électrique.

1.4. Les différents types de piles à combustible à hydrogène

• Il existe différents types de piles à combustible à hydrogène, les plus courantes étant les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et les piles à oxyde solide (SOFC). Elles diffèrent par les matériaux utilisés et la température de fonctionnement.

2. Application des piles à combustible aux bus et aux cars

L'intégration d'un système de pile à combustible dans un bus ou un car peut être l'occasion de concevoir des véhicules de nouvelle génération dotés de nouvelles chaînes cinématiques. Des éléments spécifiques doivent être pris en compte, tels que les réservoirs d'hydrogène, les piles à combustible et les systèmes de gestion de l'énergie, afin d'optimiser l'efficacité et l'espace passagers.

Dans le cas d’un rétrofit, cela implique souvent de modifier le châssis ou d'utiliser l'espace auparavant réservé aux moteurs à combustion.

2.1 Système de stockage d'hydrogène

• L'hydrogène est stocké à haute pression (350 à 700 bars) dans des réservoirs embarqués, fabriqués en composite de carbone. La sécurité est une priorité absolue, avec plusieurs systèmes de sécurité pour prévenir les fuites et les explosions.

2.2 Alimentation par pile à combustible

• Un système de contrôle convertit la pression de l'hydrogène stocké et alimente en continu la pile à combustible.

2.3 Alimentation du moteur électrique

• L'électricité produite par la pile à combustible alimente un moteur électrique qui propulse le bus. La puissance du moteur peut être adaptée aux usages et aux besoins de performance du véhicule.

2.4 Packs de batteries auxiliaires

• Des packs de batteries auxiliaires peuvent être utilisés pour stocker l'énergie excédentaire produite par la pile à combustible et la libérer pendant les périodes de forte demande, comme pour les accélérations.

Le saviez-vous ?

Le rétrofit pourrait être une solution pertinente pour les gestionnaires de flottes qui cherchent à décarboner leurs véhicules. Après une évaluation technique détaillée visant à vérifier la compatibilité des véhicules, le rétrofit comprend l'installation de réservoirs d'hydrogène, de piles à combustible et l'intégration de systèmes de contrôle électrique. Bien que l'investissement initial semble important, les avantages à long terme en termes de coûts d'exploitation et d'empreinte environnementale sont significatifs.

3. Comparaison avec les autres technologies

La transition vers des sources d'énergie plus propres dans les transports publics ne se limite pas à une solution unique. Comprendre les avantages et les inconvénients des différentes technologies est essentiel pour prendre les bonnes décisions.

3.1 Bus à pile à combustible et bus électrique à batterie

Les bus à hydrogène (FCEB pour Fuel Cell Electric Buses en anglais) et les bus électriques à batterie (BEB) représentent deux approches différentes de l'électrification des transports. Les piles à combustible offrent une plus grande autonomie et un ravitaillement rapide en quelques minutes, similaire au temps de remplissage d'un bus diesel, ce qui constitue un avantage considérable par rapport aux batteries électriques qui nécessitent plusieurs heures de recharge. Cela se traduit par une plus grande flexibilité opérationnelle et une meilleure disponibilité. La technologie des piles à combustible à hydrogène offre également une densité d'énergie embarquée plus élevée, offrant une capacité d'accueil des passagers et un confort thermique optimisés, ainsi qu'une densité de puissance plus élevée, permettant une charge utile plus importante.

Enfin, le déploiement de l'infrastructure au dépôt est plus simple : il n'est pas nécessaire d'augmenter le nombre de bornes de recharge, ni de se raccorder au réseau électrique. Un électrolyseur sur site suffit pour ravitailler tous les véhicules. 

3.2 Bus à pile à combustible et bus diesel

En comparant les piles à combustible aux bus diesel, l'avantage le plus évident est l'impact environnemental. Alors que les bus diesel émettent des gaz à effet de serre et des polluants, les bus à hydrogène n'émettent que de l'eau à l'usage. Sur le plan opérationnel, bien que le coût initial des bus à hydrogène soit plus élevé, le coût total de possession (TCO) est partiellement compensé par deux facteurs : un meilleur rendement de leur chaine cinématique par rapport aux moteurs diesel et une baisse du coût de l'hydrogène à mesure que la production et l'infrastructure de distribution se développent. En plus d’avoir l’avantage d’être zéro émission, la chaîne de traction électrique des bus à pile à combustible à hydrogène fait très peu de bruit.

4. Conclusion

Les piles à combustible à hydrogène représentent une alternative intéressante aux technologies zéro-emission de mobilité actuelles, offrant des avantages en termes de performances, d'autonomie et d'émissions de gaz à effet de serre. Bien que leur intégration nécessite une révision des pratiques de maintenance et d'infrastructure, le potentiel d'une mobilité durable à faible impact environnemental est important. Il est essentiel de prendre en compte les coûts, l'accessibilité à l'hydrogène et l'évolution des infrastructures lors de l'évaluation de cette technologie par rapport aux options existantes, à savoir le diesel et l'électrique à batterie. À mesure que le secteur des transports publics continue d'évoluer, les piles à combustible à hydrogène joueront un rôle clé dans la composition des flottes de bus de demain.