Mémento de l’Hydrogène FICHE 9.1 - afhypac.org 9.1.1 - Daimler rev... · l’usine de MBFC (...

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Fiche 9.1.1 Rvision : dcembre 2018

Source : AFHYPAC Th.A.

Mmento de lHydrogne FICHE 9.1.1

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1. Le programme Daimler-Benz (1989 1998) 2. Le programme DaimlerChrysler (1998 2007) 3. Le programme Daimler-Benz (2008 ) 4. Conclusions

Le programme de vhicules pile combustible Daimler a connu plusieurs tapes. La premire (1989 1998) sest droule sous lgide de Daimler-Benz. La seconde (1998 2007) sest droule dans la cadre de la fusion avec lamricain Chrysler et qui sest appele DaimlerChrysler. Lactuelle troisime a dbut en octobre 2007 aprs la sparation des deux constructeurs et se poursuit actuellement dans la cadre de lactivit du groupe Daimler AG. 1. Le programme Daimler-Benz (1989 1998)

Cest en 1989 que Daimler-Benz entreprend dvaluer la pile combustible pour lapplication automobile et choisit pour cela la pile de la socit canadienne Ballard Power Systems Inc., cre en 1979 (par le gophysicien Geoffrey E. Ballard, sous le nom de Ballard Research Inc.) et qui dveloppait des piles combustible de type PEM depuis 1983. En aot 1992, Dornier GmbH, filiale de Daimler-Benz, achte un systme Ballard afin de le soumettre des essais plus pousss. En mars 1993, convaincu par les rsultats de ces tests, Daimler-Benz signe un accord avec Ballard. Au titre de cet accord, les deux parties mettent en commun leurs connaissances technologiques respectives et Daimler-Benz verse Ballard la somme de 15 millions de dollars US pour la poursuite des travaux de mise au point de la pile combustible de type PEM, auxquels sajoutent 10 millions de dollars que chaque socit sengage investir, en plus de la somme verse, soit au total 35 millions de dollars dinvestissements. Cette somme tait considrable lpoque dans la mesure o elle reprsentait une fois et demie lexercice financier annuel de Ballard et tait aussi le premier investissement aussi massif sur cette technologie (hors applications spatiales) depuis le dbut de lhistoire de la pile combustible. De plus, cet accord ninterdisait pas Ballard de continuer fournir des piles combustible dautres clients. En avril 1994, un an seulement aprs cet accord, Daimler-Benz a sorti son premier prototype, la Necar2 1. Il sagissait dun vhicule utilitaire de type Mercedes MB 180 (voir figure 1) dont presque tout le volume utile tait occup par le systme pile, sans aucun souci dintgration: Daimler ne souhaitait que tester les fonctions de tous les sous-systmes interconnects. La source tait constitue de 12 modules Ballard de type PGS-103 pour une puissance totale de 50 kWe. Les piles taient alimentes par de lhydrogne gazeux stock bord sous 250 bars.

1 Daimler est propritaire de la marque Mercedez-Benz 2 NECAR, acronyme pour New Electric CAR

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Figure 1 Le prototype Necar 1 (avril 1994)

En mai 1996, un deuxime prototype tait prsent : la Necar 2. Il sagissait dun prototype ralis sur la base dune Mercedes Classe V (voir figure 2) que Daimler-Benz avait conu avec un bon effort dintgration puisque tout le volume utile intrieur avait t libr. Pour la mme puissance de 50 kWe disponible, seuls deux modules de 25 kWe ont t ncessaires. Chaque module tait constitu de 150 cellules de 700 cm et la puissance spcifique du systme gnrateur avait t abaisse 6 kg/kWe et 9 litres/kWe.

Figure 2 Le prototype Necar 2 (1996)

Lhydrogne gazeux tait stock bord dans deux bouteilles de 140 litres permettant 250 km dautonomie. En 1997, un troisime prototype baptis Necar 3, tait prsent au Salon Automobile de Francfort. Il tait conu sur la base de la Classe A (voir figures 3 et 4). La pile tait du mme type que sur la Necar 2, mais loriginalit rsidait dans la source de combustible : pour la premire fois, le rservoir dhydrogne tait remplac par un rservoir de 38 litres de mthanol coupl un reformeur fonctionnant 280C. Le systme complet tait intgr dans le chssis et dtaill sur la figure 4. Lautonomie tait voisine de 400 km.

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En 1997, Daimler et Ballard signent un accord de collaboration au titre duquel Daimler possde 25% de Ballard.

Figure 3 La Necar 3 (1997)

Figure 4 Le systme pile combustible de la Necar 3

2. Le programme DaimlerChrysler (1998 2007) DaimlerChrysler est n de la fusion en 1998 de Daimler-Benz AG (Allemagne) et de Chrysler Corporation (tats-Unis). La transaction a t annonce le 7 mai et a pris effet le 12 novembre.

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En dcembre 1998, soit 7 mois aprs la fusion des deux constructeurs, DaimlerChrysler prsente au Los Angeles Motor Show, la Jeep Commander, alimente par une pile combustible hybride des batteries NiMH. Tout comme la Necar 3, elle est quipe dun reformeur mthanol (voir figure 6). En mars 1999, DaimlerChrysler prsente la Necar 4 Washington, toujours base sur la Classe A (voir figure 5), mais alimente en hydrogne partir dun rservoir de 7 kg dhydrogne liquide embarqu, dont le taux dvaporation est de 1%/jour. Sa pile combustible fournit maintenant 70 kWe avec deux modules de 35 kWe. Le vhicule pse 1580 kg, contre 1120 kg pour le modle essence. Le rendement global, du rservoir la roue, est donn 37,7%.

Figure 5 Vue clate de la Necar 4 (1999) En 2000, une version hydrogne comprim 350 bars (rservoir composite du canadien Dynetek) de la Necar 4, baptise Necar 4 Advanced, est prsente ; elle est destine intgrer la flotte du California Fuel Cell Partnership. Les modules Ballard qui lquipent sont du type Mark 900. En novembre 2000, le prototype Necar 5 est prsent. Il est trs voisin de la Necar 3 mais la puissance de la pile est de 75 kWe (pile Ballard type Mark 900). En fin 2000, DaimlerChrysler prsente le go-kart (voir figure 7), un prototype de kart quip dune pile DMFC (pile PEM mthanol direct) de 3 kWe, technologie dans laquelle Ballard a aussi investi. Au printemps 2002, une Necar 5 reformeur mthanol traverse les Etats-Unis, parcourant 3200 miles en 15 jours sur des routes publiques : elle ncessitait un plein de mthanol tous les 300 miles. En janvier 2001, DaimlerChrysler a annonc la livraison la compagnie Hermes Versand Service, dun petit utilitaire Sprinter quip dune pile Ballard alimente par un stockage dhydrogne sous pression, pour une autonomie de lordre de 150 km.

En dcembre 2001, DaimlerChrysler prsente un prototype, baptis Natrium (ou plus exactement Chrysler Town & Country Natrium) (voir figure 8), aliment par un nouveau type de stockage dhydrogne embarqu : le stockage sur borohydrure de sodium (do le nom Natrium donn au prototype) dvelopp par la socit amricaine Millenium Cell Inc.. Il sagit plus prcisment de faire ragir, bord, du borohydrure de sodium, driv du Borax, avec de leau en prsence dun catalyseur.

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Ce systme, tel quil a t dimensionn dans la Natrium, donne une autonomie de prs de 500 km ; la pile combustible est hybride avec une batterie Li-ion de la socit Saft, capable de fournir 40 kWe.

Figure 6 Le prototype Jeep Commander (1998) mthanol.

Figure 7 Le prototype DMFC Go-kart (2000)

En octobre 2002, DaimlerChrysler baptise F-Cell (Figure 9) la nouvelle gnration de sa version Necar 4 Advanced (c'est--dire alimente en hydrogne sous pression) et annonce la fabrication dune srie de 60 vhicules.

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Figure 8 Le prototype Natrium (2001) En dcembre 2003, la premire de cette srie est livre chez Tokyo Gas Co. Ltd, au Japon. Dautres ont t livres en 2004, aux USA en particulier, et plus tard sur de nombreux sites, dont Berlin et Singapour.

Figure 9 La F-Cell (2003)

Le concept de la F-Cell est de type hybride ; elle est alimente par une pile Ballard Mark 902, de 72 kWe de puissance nette (puissance disponible compte tenu de l'alimentation de ses priphriques). Le moteur lectrique dlivre une puissance mcanique de 65 kW et son rservoir dhydrogne sous 350 bars lui donne une autonomie de 150 km. La batterie est de type NiMH (6,5 Ah). La disposition des divers lments est reprsente sur la figure 10.

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En aot 2004, le groupe (via la socit Dodge) livre le premier utilitaire pile combustible Dodge Sprinter UPS, Los Angeles. Ce vhicule a une autonomie de 250 km. (Figure 11).

Figure 10 Vue clate de la F-Cell

Figure 11 Le Dodge Sprinter (2004)

En mars 2005, DaimlerChrysler prsente un prototype construit sur la base du modle Class-B, baptis F-Cell Class B et dune puissance disponible de 100 kWe (voir figure 12), hybrid avec une batterie Li-ion et quip dun rservoir dhydrogne sous 700 bars lui donnant une autonomie voisine de 400 km. Daimler annonce une premire srie de ce modle en 2010, capable dun dmarrage par -25C.

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En octobre 2005, DaimlerChrysler prsente un prototype bas sur la Class S, quip dune pile dune puissance de 66 kWe, et baptis F600 Hygenius (voir figure 12)

Figure 12 - Le prototype F600 - Hygenius (2005)

En octobre 2007, le fonds d'investissement amricain Cerberus Capital Management offre 5,5 milliards d'euros pour la reprise de 80,1 % de Chrysler. Daimler conserve le reste du capital et est rebaptis Daimler AG. En novembre 2007, Ballard cde Daimler sa division automobile et Daimler prend la direction ( 50,1%) du groupement Automotive Fuel Cell Corporation (AFCC). 3. Le programme Daimler ( partir de 2008) En fvrier 2008, la rpartition au sein de AFCC est ainsi modifie : Daimler garde ses 50,1% mais le complment est partag entre Ballard (19,9%) et Ford (30%). AFCC fabrique non seulement les systmes pour la F-Cell Class B mais aussi les systmes dvelopps pour les bus. En 2008, Daimler annonce une amlioration de son modle F-Cell Class A, baptise F-Cell Plus, quip dun rservoir dhydrogne sous 700 bars au lieu de 350 bars: lautonomie passe ainsi de 160 km 230 km. Par ailleurs, Daimler poursuit ses tests sur la F-Cell Class B (voir figure 13), en particulier dans des environnements difficiles. Dans le mme temps, le patron de Mercedes-Benz -Dieter Zetsche- annonce, dans le AEI Online Technology Report publi le 28 mai 2008, quil fabriquera un exemplaire par jour en 2010 et quil prvoit que vers 2014-2015 il sera capable de produire 100 000 units par an de manire conomique.

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Figure 13 - Le prototype F-Cell Class B, en test en Sude, en 2008.

Le 28 aot 2009, Mercedes-Benz, fort dune centaine de prototypes tests et 4,5 millions de km parcourus, annonce quil lance sa premire fabrication de srie de la F-Cell Class-B avec une premire phase de 200 vhicules qui seront livrs des clients amricains et europens en dbut 2010. Ce vhicule est dot dun rservoir contenant 4kg H2 sous 700 bars. Ses autres caractristiques principales sont donnes dans le tableau suivant :

Propulsion Moteur lectrique + Pile combustible Puissance nominale (kW/CV) 100/136 Couple nominal (Nm) 290 Vitesse maximum (km/h) 170 Consommation (NEDC) (quivalent litres de disel/100 km)

3,3

Emission de CO2 0 Autonomie (NEDC) 385 Capacit batterie Li-ion (kWh/kW) 1,4/35 Dmarrage froid Jusqu -25C

En mai 2010, Daimler et Toyota voquent un dveloppement commun de vhicules pile combustible. (ndlr : plus aucune information ne sera publie sur cet ventuel rapprochement aprs cette date). En octobre 2010, Daimler organise ses premires locations de F-Cell Class B en Californie, disponibles fin 2010 ; le cot est de 849 $/mois, hors taxes, pour une dure de 36 mois. Ce vhicule a reu les certifications EPA (Environmental Protection Agency) et CARB (California Air Resources Board). Il prvoit 70 vhicules en circulation en Californie, fin 2012, ce qui doublera la flotte de F-Cell Class A en service en Californie. Le premier client est livr le 16 dcembre 2010. Le directeur de dveloppement de Daimler -Thomas Weber- estime que le cot de la pile pourrait baisser jusqu 3 000 aboutissant un vhicule de lordre de 35 000. En juin 2011, trois exemplaires de la F-Cell Class B font le tour du monde et parcourent 30 000km sans le moindre incident (cf. Fig. 14).

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Figure 14 Le tour du monde des trois F-Cell Class B (2011)

En juin 2011 le patron de Mercedes-Benz -Dieter Zetsche- annonce que la F-Cell Class B a atteint sa configuration dfinitive et que sa mise en production de srie est avance de 2015 2014. En septembre 2011, le fabricant amricain Quantum Fuel Systems technologies Worldwide, Inc. annonce quil a sign un contrat de dveloppement de rservoirs 700 bars destins ce vhicule. En septembre 2011, Mercedes-Benz annonce quil est en discussions avec dautres partenaires que Ford pour largir son march potentiel. En septembre 2011, Daimler prsente au Salon de Francfort son prototype F125 (cf. Fig. 15). Ses caractristiques sont les suivantes :

Puissance nominale (kW/hp) 170/231

Puissance maximale (kW/hp) 230/313

Couple (Nm) 3440

Accleration 0-100 km/h (s) 4.9 (cible)

Accleration 80-120 km/h (s) 3.2 (cible)

Vitesse maximale (km/h) 220 (cible)

Consommation Hydrogne (kg/100 km)

Equivalent litres disel/100 km

0.79

2,7

Emission CO2 (g/km min./max.) 0

Autonomie (km) 1000

Capacit du rservoir (kg) approx. 7.5

Batterie lithium-soufre (kWh) 10

En juin 2012, est inaugure, Burnaby (Canada), dans danciens locaux de Ballard, lusine de production des systmes pile combustible Mercedes-Benz Canada. En janvier 2013, Mercedes-Benz annonce la collaboration tripartite : Daimler Ford Nissan, avec un objectif de commercialisation, non plus en 2014, mais en 2017. En mars 2014, le chef du "sales and marketing Mercedes-Benz", Ola Kallenius, raffirme que la propulsion hydrogne fait toujours partie de la stratgie future de l'entreprise et annonce qu'un nouveau modle, de type SUV, sera prsent dans les annes suivantes.

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En octobre 2014, Daimler annonce qu'un exemplaire de la Class B F-Cell a parcouru 300 000 km (cf. Fig. 16) dont une partie dans des conditions climatiques extrmes, ce qui lui a valu la rcompense f-cell Award 2014.

Figure 15 - Le prototype F125 (Septembre 2011)

Figure 16 - La Class B F-Cell qui a parcouru 300 000 km En octobre 2015, Daimler fournit les rsultats suivants: - 5 exemplaires du modle Class B ont accompli le trajet Los Angeles - Northern California (1000 miles) avec un seul plein dans une station publique. - que les utilisateurs amricains de la F-Cell ont accumul plus de 2 millions de miles depuis 2010. En novembre 2015, la revue Automobilwoche annonce que dornavant Daimler n'utilisera plus la plateforme Class B pour ses futurs prototypes mais la plateforme Mercedes GLC.

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En juin 2016 est annonce la commercialisation en 2017 de la GLC F-Cell (cf. Figure 17) quipe d'une batterie Li (9 kWh), d'un rservoir de 4 kg d'hydrogne sous 700 bars, pour une autonomie de 500 km (incluant les 50 km d'autonomie sur la batterie seule). Le volume du systme pile a t rduit de 30% par rapport au modle prcdent et la quantit de platine utilis est rduit de 90%. Daimler s'appuie dsormais sur une exprience cumule de 12 millions de km parcourus par leurs divers modles depuis l'origine.

Figure 17 - Le prototype GLC F-Cell (2016)

En septembre 2017, lapproche du salon de Francfort (septembre 2017), Christian Mohrdieck, le responsable du programme pile combustible chez Daimler, a donn quelques dtails sur le GLC Fuel Cell qui sera dvoil officiellement l'occasion de cet vnement : - le moteur lectrique dveloppera 150 kW, - la pile combustible contient 90 % de platine en moins, par rapport la prcdente gnration. Il n'y en a d'ailleurs pas plus que sur le catalyseur d'un modle thermique. Cela a permis de rduire le cot. - la pile se trouve sous le capot moteur, le moteur lectrique et la batterie prenant place au-dessus de l'essieu arrire. Quant au rservoir d'hydrogne, fabriqu par Daimler (4,4 kg stocks 700 bars), il prend place sous les siges arrire ainsi que sous le plancher. Le GLC F-Cell sera par ailleurs au mme niveau d'exigence que les autres modles de la gamme en ce qui concerne les crash-tests. - la pile, fabrique au Canada (chez MBFC Mercedez-Benz Fuel Cell), est hybride avec une batterie Li-ion (13,5 kWh) fabrique par Accumotive, filiale de Daimler, qui assure une autonomie de 50 km, ce qui assure une autonomie globale de 478 km. La dclration :freinage recharge partiellement la batterie. Le systme pile est assembl chez NuCellSys, filiale de Daimler, en Allemagne. - plus de 300 vhicules Mercedez-Benz pile combustible ont parcouru plus de 18 millions de km et les ingnieurs considrent que ce vhicule a prouv sa maturit commerciale. En juin 2018, Mercedez-Benz annonce les premires livraisons, en octobre 2018, de la GLC des clients slectionns, sous forme de location, tous services inclus. Les piles sont fabriques dans lusine de MBFC (Mercedez-Benz Fuel Cell) Vancouver (Canada), le systme pile (avec le stockage) est assembl Untertrkheim en Allemagne et le vhicule est assembl Bremen o le SUV est normalement produit. Les utilisateurs disposeront en Allemagne des 51 stations-service actuelles (juin 2018) et dune centaine fin 2019. Les caractristiques de ce SUV sont donnes dans la tableau suivant :

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4. Conclusions Depuis 1994, le groupe Daimler AG a montr de trs nombreux prototypes, dont un (F-Cell Class A) a t construit en une soixantaine dexemplaires de 2003 2006 et dont le suivant (F-Cell Class B) a t construit plusieurs dizaines dexemplaires partir de 2009 et lou plusieurs clients, essentiellement en Californie et au Japon. Au total Daimler aura ralis, ce jour, plus de 300 vhicules pile combustible qui auront accumul plus de 12 millions de km.

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Les points marquants de ces vingt dernires annes sont les suivants : - les modules de pile combustible sont tous issus du constructeur canadien Ballard : Daimler est

le seul constructeur rest fidle Ballard depuis lorigine et qui na pas t tent de concevoir son module maison .

- le bloc de puissance est intgr dans le chssis des vhicules avec un moteur lectrique unique, - tous les prototypes semblent avoir rempli leurs objectifs avec satisfaction : tous ont t prsents

en fonctionnement en de nombreuses occasions, comme le voyage californien organis en 2015. - Daimler a test divers types de source dhydrogne : sous pression, cryognique, reformage de

mthanol, borohydrure de sodium pour finir par poser son choix sur le stockage gazeux 700 bars.

- si les premiers prototypes ne comportaient pas de batteries en hybridation (en particulier pour la rcupration dnergie au freinage), leur prsence sur les dernires versions montre une volution de leur stratgie. Tous les vhicules sont dsormais hybrids : les batteries sont actuellement en technologie Li-ion.

- aprs avoir annonc en 2011 la commercialisation de la F-Cell Class B pour 2014, Daimler a modifi sa stratgie dbut 2013, prfrant reculer la diffusion de masse en 2018 au lieu de 2014, avec la GLC F-Cell, mais en sassociant plus troitement, dans le futur, Ford et Nissan (et probablement Renault).