} //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// © SymbioFCell 2013 P. 1

2013

L’HYDROGÈNE POUR LES TRANSPORTS : HYBRIDATION BATTERIES ET PILES À HYDROGÈNE  bertrand.chauvet@symbiofcell.com

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LE CONTEXTE DES TRANSPORTS ET DE L’ENVIRONNEMENT, VU PAR UN ACTEUR DES MOTEURS THERMIQUES…

Ha bon ? Et le rendement

réel ?

Pas d’alternative propre ???

C’est quoi cette fumée ?

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EFFICACITÉ DES RENDEMENTS ÉNERGÉTIQUES ? 3

Il faut que l’énergie soit bon marché, propre, et durable

Totaux énergie France : 160 Mtep 260 Mtep

Produits Consommés

L’efficacité n’est pas le vrai critère !

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APPLICATIONS ÉNERGÉTIQUES ET RENDEMENTS : UNE PARTIE SEULEMENT DE L’ÉQUATION

4

Acceptabilité du TCO dans un volume donné

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ALORS, QUELLES SOLUTIONS PROPRES ET DURABLES ?

Électriques, oui, mais quelle solution électrique ? Batteries ? Piles à hydrogène ? Hybrides batteries-piles à hydrogène ?

P. 5

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RÈGLES D’OR DES TECHNOLOGIES DE SUBSTITUTION

  1) Une nouvelle technologie n’est adoptée qu’à un niveau de service supérieur ou un coût < 30%...

•  Pas d’exemple du contraire

•  L’homme n’aime pas régresser dans sa qualité de vie

  2) Seul le consommateur décide •  Sur sa perception de la Valeur

•  Quelle que soit la rationalité de la nouvelle solution proposée

  è Aujourd’hui le succès des BEV nécessite un changement comportemental fort des utilisateurs

•  C’est au mieux extrêmement risqué

•  Au pire totalement illusoire

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LA PERCEPTION DE VALEUR

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BATTERIES ? AUTONOMIE NON PRÉDICTIBLE…

  Quelle est votre autonomie réelle avec des batteries ?

Fiche-produit constructeur

160 km New European

Driving Cycle (NDEC)

18 °C

90 km Trajets urbains

70 km Livreurs

Cycle d’usage

45 km Distribuer le courrier

Cycle d’usage

10 °C -5°C

* Source: responsables de flottes électriques d’après tests réels, Juin 2012

Et bien… Tout dépend de la météo et du cycle d’usage !

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L’HYDROGÈNE EST UNE BONNE ALTERNATIVE  Il paraît que bientôt les batteries feront 10x fois mieux qu’aujourd’hui…

•  10x mieux au même prix implique une énorme rupture technologique, mais rien de nouveau à l’horizon: les limites physiques sont connues. 2x mieux n’est même pas atteignable pour des solutions embarquées dans les transports.

•  Une solution basée sur les batteries est 20x plus lourde que la solution diesel, et la recharge 100x plus longue

•  Les consommateurs ne veulent pas acheter une solution plus chère qui apporte moins de valeur d’usage

 Les Biofuels sont toujours polluants •  Toujours la même technologie bruyante, pollutante, de faible rendement :

combustion

•  Il faut attendre une 3ème génération pour éviter l’impact sur le coût de la nourriture

•  Les Biofuels synthétiques utilisent une grande quantité d’hydrogène, quasiment autant que nécessaire pour une pile à hydrogène pour voiture !

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L’HYDROGÈNE EST TRÈS LÉGER

  ≈ 3x plus d’énergie/kg que le diesel, mais 3000x moins/litre…

  è il faut donc compresser ou liquéfier

Nm3 : @ 273°K (0°C) and 1013 millibars

Lower heating value (LHV) 3 kWh/Nm3, 33kWh/kg Gaseous density 0,08988 kg/Nm3

Liquid density 70,79 kg/m3

Energy to liquefy 3,92 kWh/kg

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COMPARER LES SOLUTIONS ÉNERGÉTIQUES (POIDS/VOLUME)

Diesel Hydrogen Batteries Volume 1l ≈ x5 ≈ x15 Weight 0,72 kg ≈ x4 ≈ x20

© Ullit © Ford © GM

  è Mais la motorisation électrique est moins encombrante et moins lourde que la thermique

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MOTORISATIONS

© caterpillar © GM

Diesel (1) Hydrogen(2) Batteries(3)

Volume 0,16kW/l 0,25kW/l 3kW/l Weight 0,25kW/kg (dry) 0,7kW/kg 2kW/kg

© Brusa

(1)  Caterpillar 160kW engine (2)  GM 85kW HydroGen5 (3)  Brusa 151kW peak

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HYDROGÈNE VS. BATTERIES

  Recharge en 3mn à 10mn •  Technologies classiques de recharge gaz

© A

ir Li

quid

e

© Air Liquide © H2 Logic

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HYDROGÈNE VS. DIESEL

  Pas de CO2

•  Hydrogène + Oxygène è eau pure

  Pas de bruit •  La seule partie mobile non silencieuse est le compresseur

  Pas de polluants •  Température de fonctionnement = 80°C è Pas de Nox

•  Pas de combustion : pas de suies, pas de polluants

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HYDROGÈNE : LA BONNE SOLUTION POUR LES UTILITAIRES LÉGERS ET LES PETITS CAMIONS

(1) La recharge rapide nécessite plus d’infrastructure et réduit la durée de vie des batteries

Vmax, km/h

100 120 140 160 180 200 220

ICE BEV

FCEV

Autonomie, km

200 1,100 1,200 1,000 600 500 400 300 100 900 800 700

BEV FCEV

Temps pour faire le plein

30 min 1 hr 5 hr 10 hr 5 min 1 min

BEV FCEV

ICE

ICE

10 min 2 hr

BEV(1)

En conservant les accélérations, le poids et le même volume

Source: The role of Fuel Cell Electric Vehicles within a portfolio of power-trains

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HYDROGÈNE : UNE BONNE SOLUTION POUR UNE LARGE GAMME DE VÉHICULES

Range & Size

Hydrogen

Batteries Hybrides Diesel

2 roues Voitures urbaines “courte distance”

Véhicules particuliers Véhicles commerciaux Petits camions

Véhicles ht de gamme Camions medium

Camions longues distance

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PRÊTS POUR LE MARCHÉ : 2013-2017

B Class "F-Cell"

HydroGen3

FCX Clarity

Tucson FCEV Equinox Edge hyseries drive

FCHV Touran HyMotion

MiTo Fuel Cell

Hydrogen Tanks

Batteries Fuel Cell

Power Electronics

Market Ready Market Ready

Market Ready Market Ready

FCEV: an Electric Car Architecture (serial hybrid architecture)

Electric Motors

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STATIONS HYDROGÈNE EN EUROPE

http://www.h2stations.org/

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PROGRAMME H2 MOBILITY

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Refill Price (1)

COMPÉTITIVITÉ DES CARBURANTS

Gas Station price Energy Vehicle Efficiency

E85 0,85€/l

(1) 200l of diesel ≈ 600kWh “mechanical energy”

η: 20% 392€ Engine/transmission

PCI: 6.5 kWh/l 0,65€/kWh

Diesel

Hydrogen

Engine/transmission

Fuel Cell/Motor

η: 45%

284€

284€

η: 25% PCI: 11 kWh/l

PCI: 33 kWh/kg 0,47€/kWh

0,47€/kWh

1,3€/l

7€/kg

GNV Engine/transmission

0,88€/kg

η: 15% 253€

0,42€/kWh PCI: 13,9 kWh/kg

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HYDROGEN PRICE ACCORDING TO MCKINSEY(1)

0

5

10

15

20

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

(1) The role of Fuel Cell Electric Vehicles within a portfolio of power-trains (2010)

H2 retail station delivered cost, EUR/kg H2

Hydrogen average price calculated with an survey made with all industrial gas players (Air Liquide, Linde…). It takes into account the first investments needed to deploy an European complete infrastructure. First small Air Liquide deployments shows that 9€/kg is reachable today!

5€/kg 7€/kg

Diesel competitive price point (1,3€/l)

Fatal hydrogen @ 7€/kg today!

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LE MODÈLE ÉCONOMIQUE POUR L’INFRASTRUCTURE DE RECHARGE

Pertinence des investissements pour la collectivité

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DISSIPONS LA FUMÉE…

  Il n’y a pas d’infrastructure de recharge H2 en France, déployons des véhicules à batterie !

  Mais : il n’y a pas non plus d’infrastructure de recharge batteries !! •  Problématiques de sécurité et de tension = bornes de recharge et câbles spécifiques

•  Borne publique 3 kW / 16A = 3000 € l’unité (à la charge de la collectivité)

•  Borne domestique « Wallbox » = 750 € l’unité (à la charge des consommateurs)

  Question : quel est le coût réel d’une infrastructure de recharge BEV (batteries) vs FCEV (H2) ?

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COMPARAISON COÛTS DE RECHARGE STATION PUBLIQUE DE RECHARGE : BATTERIE VS HYDROGÈNE

Hypothèse  du  modèle  :   BEV  1   BEV  2   FCEV  1   FCEV  2  Autonomie  effec,ve  moyenne   80  km   120  km   400  km   600  km  Temps  de  recharge  moyen  en  mn   300  mn   360  mn   5  mn   7  mn  Borne  de  recharge  publique  3kW  16A   3  000  €   3  000  €  Sta,on  de  distribu,on  H2  AJC   220  000  €   300  000  €  Durée  d'amor,ssement  /  remplacement   5  ans   5  ans   6  ans   7  ans  BEV  1  =  Températures  froides  +  chauffage,  BEV  2  =  Performances  maximales  FCEV  1  -­‐  350  bars,  FECV  2  -­‐  700  bars  

© Seiya Consulting 2011

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MEILLEUR RENDEMENT INVESTISSEMENT RECHARGE : H2

•  Variation de la durée d’amortissement sans impact significatif

•  Il faut environ 72 stations BEV pour recharger autant de véhicules qu’une seule station H2 -  Soit 72 x 3000 € = 216 000 € = prix de 1 station H2

•  Il faut environ 360 stations BEV pour recharger autant de km qu’une seule station H2 -  Soit 360 x 3000 € = 1 080 000 € = le prix de 5 stations H2

© Seiya Consulting 2011

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LA SOLUTION HYDROGÈNE HYBRIDE : LES PROLONGATEURS D’AUTONOMIE

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EXEMPLES DE PROJETS EN DÉVELOPPEMENT

Safra Businova e-bus 40 kW RE

Renault Kangoo ZE 5 kW RE

Renault Truck Maxity électrique 20 kW RE

Volvo mini-pelle 5 kW RE

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2013

UN EXEMPLE : LE KANGOO ZE-H2

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HYKANGOO : VÉHICULE ÉLECTRIQUE À RANGE EXTENDER

  Basé sur un véhicule électrique standard : Renault Maxi Z.E.

  Étend l’autonomie jusqu’à 320 km (NEDC)

  Chauffage fourni par la boucle de refroidissement PAC H2

  Zéro carbone, pollution sonore faible

  Volume utile (> 4,5 m3)

  Tous les avantages d’un véhicule électrique sans les limitations de la solution batteries seules

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COMPARÉ À DE L’ESCENCE ?

Dr. Michael Swain, University of Miami

Cette expérience compare les effets d’une fuite dans un réservoir d’hydrogène et dans un réservoir d’essence. Après 60s, la flamme d’hydrogène commence à s’affaiblir. L’intérieur du véhicule est intact. La température à l’intérieur du véhicule hydrogène ne dépasse pas 20°C. Après 100s, tout l’hydrogène a été consumé, alors que le feu dans le véhicule essence s’intensifie. Après quelques minutes, le véhicule essence a été entièrement détruit.

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LE RESERVOIR D’HYDROGÈNE

  On stocke l’hydrogène à 350 bar ou 700 bar •  Rappel : 200bar dans une bouteille de plongée, 350 bar = standard gaz naturel

•  Dans une « poche » ou Liner en PEHD sur lequel on vient bobiner du carbone

  Pas de problème de résistance de l’enveloppe •  Bien plus résistant que le type III en aluminium ou

qu’un réservoir d’essence

•  Résiste au crash

•  Tests de tirs à balles réelles effectués par le CEA et INERIS

•  Tests d’attentats au C4 effectués par le Mossad

  Au pire, il y a déchirure et pas explosion •  Déchirure programmée, en cours de développement au CEA

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LE RESERVOIR D’HYDROGÈNE

  En cas d’incendie •  La soupape de sécurité intervient (échappement dirigé)

  Il sont testés à 2,3x leur pression de service •  Ils doivent résister à 1645bar après 15OOO cycles de

montée à 850bar

  La zone à 350bar ou 700bar est limitée •  On repasse à des pressions faibles de qq bars après le

premier étage •  Ce détendeur/vanne est un élément clé qui doit être

protégé -  Soit par un capot en polypropylène calculé pour les crash -  Soit en étant directement intégré au réservoir

(technologie constructeur automobile)