Depuis la naissance des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dans les années 1950, les scientifiques du monde entier n’ont jamais cessé leurs recherches approfondies sur les PEMFC. Cela a conduit à des avancées significatives en termes de performance, de durée de vie et de coût, entraînant leur application généralisée dans les transports, les sources d’énergie portables et la production d’énergie distribuée, favorisant ainsi progressivement la commercialisation des PEMFC.
Au 9 janvier 2024, GLOBE NEWSWIRE (Market.us) a rapporté que le marché de la production d’hydrogène avait atteint 177 milliards de dollars en 2023 et devrait croître de manière significative, atteignant 489,2 milliards de dollars d’ici 2033. De 2024 à 2033, ce marché devrait connaître le taux de croissance annuel composé (CAGR) le plus élevé de 10,7 %. Le marché de l’hydrogène ici se réfère aux industries impliquées dans la production, le stockage et la distribution de l’hydrogène.
L’hydrogène a un potentiel dans l’énergie propre, en particulier lorsqu’il est utilisé comme carburant pour les piles à combustible et comme matière première dans les processus industriels, ce qui peut réduire les émissions de gaz à effet de serre. Par conséquent, la demande d’hydrogène a augmenté. Dans les piles à combustible, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons présentent de nombreuses caractéristiques qui les rendent largement utilisées dans les véhicules électriques, les navettes spatiales, les sous-marins, les systèmes de communication, les centrales électriques de petite et moyenne taille, les alimentations domestiques et d’autres endroits nécessitant des sources d’énergie mobiles. Ensuite, nous présenterons les applications pratiques des piles à combustible à membrane échangeuse de protons dans les domaines des véhicules à pile à combustible, des tramways à pile à combustible et de l’alimentation des navires à pile à combustible.
Véhicules Électriques à Pile à Combustible (FCEV)
Dès 1966, General Motors a développé le premier véhicule routier à pile à combustible au monde, nommé le Chevrolet Electrovan. Ce véhicule utilisait une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) comme source d’énergie, avec une puissance de sortie de 5 kW, une autonomie de 193 km et une vitesse maximale de 113 km/h.
Par la suite, des pays tels que les États-Unis, l’Union Européenne, le Japon, la Corée du Sud et la Chine ont investi des fonds et des ressources humaines considérables pour promouvoir la recherche sur les véhicules à pile à combustible. Des entreprises comme General Motors, Ford, Toyota, Honda et Mercedes-Benz ont successivement développé des véhicules à pile à combustible. Par exemple :
General Motors (GM) : a développé un véhicule à pile à combustible basé sur la plateforme du SUV Equinox, qui a fait ses débuts en 2007 et était principalement utilisé pour des projets de démonstration et de test.
Ford : a développé un véhicule à pile à combustible basé sur la Ford Focus, qui a été testé et utilisé dans des projets de démonstration au début des années 2000.
Toyota : a lancé le premier véhicule à pile à combustible produit en série et disponible commercialement au monde en 2014. La deuxième génération de Mirai, sortie en 2021, offre des performances supérieures et une autonomie plus longue.
Honda : a sorti un véhicule à pile à combustible en 2008, devenant ainsi le premier à être proposé aux consommateurs ordinaires sous forme de location. Le modèle de troisième génération, sorti en 2015, a vu des améliorations en termes d’autonomie et de technologie.
Les principaux constructeurs automobiles ont réalisé des progrès significatifs dans le domaine des véhicules à pile à combustible, introduisant une série de modèles innovants. Ces modèles représentent non seulement la trajectoire de développement de la technologie des piles à combustible, mais posent également les bases de la promotion du marché.
Pour mieux comprendre l’état actuel de ce domaine, nous pouvons examiner les dernières données pour une image plus claire. À la fin de 2023, le nombre total de véhicules à pile à combustible a dépassé 82 000, soit une augmentation de 21,4 % en glissement annuel. La Corée du Sud reste en tête avec un total cumulé de 34 000 véhicules à pile à combustible. La Chine se classe deuxième au niveau mondial, avec plus de 18 000 véhicules à pile à combustible, surpassant les États-Unis. En 2023 seulement, la Chine a ajouté près de 6 000 véhicules, la plus forte augmentation au monde. Le Japon et l’Allemagne comptent respectivement plus de 8 500 et 2 900 véhicules à pile à combustible. En ce qui concerne les infrastructures essentielles, la construction de stations de ravitaillement en hydrogène dans les principaux pays et régions du monde a progressé de manière stable. À la fin de 2023, il y avait 930 stations de ravitaillement en hydrogène opérationnelles dans le monde, soit une augmentation de 12,2 % en glissement annuel. L’Europe et l’Amérique du Nord comptaient respectivement 188 et 65 stations, tandis que l’Asie du Sud-Est en avait 650. (Ces données proviennent de statistiques officielles publiées par divers pays, et des corrections sont les bienvenues si des erreurs sont trouvées.)
Les données indiquent que le nombre de véhicules à pile à combustible et de stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde continue de croître, reflétant l’importance et l’investissement que divers pays accordent à ce domaine. Bien que la demande actuelle de véhicules à pile à combustible à hydrogène soit limitée, le marché devrait connaître un développement plus important à l’avenir avec l’augmentation de la production et l’amélioration continue du réseau de stations de ravitaillement en hydrogène.
Transit ferroviaire à pile à combustible à hydrogène
En plus des véhicules à pile à combustible, l’application de la technologie des piles à combustible à hydrogène dans le transport ferroviaire a également fait des progrès significatifs. En 2017, Alstom en France a promu le train à pile à combustible à hydrogène, qui a augmenté la vitesse à 140 km/h et a atteint une autonomie de 600 à 800 km. De la mi-juin à la fin septembre 2023, Alstom a transporté plus de 10 000 passagers, effectué plus de 130 trajets et parcouru une distance de 10 660 kilomètres dans le cadre d’un projet de démonstration. Ce projet utilisait des trains alimentés à l’hydrogène vert, économisant environ 8 400 litres de diesel et évitant 22 tonnes d’émissions de CO2 pendant la période d’essai.
Récemment, en juillet 2024, le tramway intelligent à hydrogène développé indépendamment par le CRRC Zhuzhou Institute en Chine est sorti de la chaîne de production à Yibin, dans le Sichuan, et devrait être mis en service en août. Ce tramway est le premier équipement de transport ferroviaire vert de nouvelle génération au monde, développé indépendamment, qui combine les avantages du rail et de la route. Le tramway intelligent utilise une technologie innovante de guidage autonome et de suivi des rails, présentant un faible investissement en infrastructure, des cycles de construction courts, une planification flexible, de faibles émissions de carbone, une respectabilité environnementale et une commodité intelligente. En termes d’efficacité opérationnelle, il utilise un système de stockage d’hydrogène de 35MPa et un système de pile à combustible de haute puissance, caractérisé par une efficacité élevée de conversion d’énergie et un ravitaillement en hydrogène rapide, améliorant considérablement l’efficacité opérationnelle des véhicules. En ce qui concerne l’autonomie, le tramway intelligent à hydrogène a une autonomie plus longue. Un seul ravitaillement en hydrogène peut assurer au tramway de parcourir plus de 200 kilomètres, répondant aux besoins opérationnels de longue distance du transport public urbain. Il offre une solution innovante de système de transport ferroviaire de capacité moyenne à faible, qui équilibre les avantages de capacité et de coût pour le transport urbain.
De plus, l’application de la technologie des piles à combustible à hydrogène dans les tramways devient de plus en plus mature aux États-Unis, au Japon, en Espagne et en France. En 2022, le marché mondial des trains à pile à combustible à hydrogène était évalué à 1,45098 milliard de dollars. Les experts indiquent que d’ici 2030, cette valeur de marché devrait dépasser 3,4 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel composé de 11,5 %.
Puissance des Navires à Pile à Combustible
En réponse aux pressions environnementales croissantes et à la vision du pic de carbone et de la neutralité carbone, l’industrie de la construction navale accélère son exploration des carburants alternatifs pour les navires. Selon un livre blanc récent du Bureau Américain des Navires (ABS), le gaz naturel liquéfié (GNL), en tant que carburant à faible teneur en carbone relativement mature, a été promu et appliqué dans le domaine maritime. Les énergies propres telles que le méthanol, l’hydrogène et l’ammoniac émergent également comme « carburants marins », et les navires principalement alimentés par ces carburants deviennent progressivement des moyens importants pour atteindre les objectifs zéro carbone dans l’industrie maritime.
Des pays et régions comme l’Europe, les États-Unis, le Japon et la Corée du Sud ont pris une avance précoce dans la recherche et la conception de piles à combustible marines. Actuellement, ils sont à la pointe des applications et de la promotion de l’ingénierie, avec de nombreuses applications et projets de démonstration impliquant des systèmes de propulsion à piles à combustible marines.
En 2008, l’Alsterwasser, un navire de passagers à pile à combustible à membrane échangeuse de protons de 48 kW lancé par le projet Zemships en Allemagne, a officiellement commencé ses opérations sur la rivière Alster, devenant ainsi le premier navire de passagers à propulsion électrique à pile à combustible en opération dans le monde.
Le projet de démonstration du système marin à pile à combustible « FellowSHIP », financé par la Norvège, a introduit en 2009 le Viking Lady, un navire de ravitaillement offshore équipé d’un système de puissance de pile à combustible de 320 kW. Ce navire, développé en collaboration avec plusieurs sociétés de classification et entreprises européennes, était le premier navire opérationnel au monde à utiliser la technologie des piles à combustible pour la production d’électricité à bord.
En 2017, l’Energy Observer, développé en France, a été lancé et a commencé son voyage mondial. La pile à combustible de ce navire utilise du carburant hydrogène produit par un système d’électrolyse alimenté par l’énergie solaire et éolienne, stocké dans des réservoirs. Le système de pile à combustible à hydrogène alimente le navire par temps nuageux, la nuit et aux premières étapes des longs voyages, faisant de lui le premier navire au monde capable de produire son propre hydrogène.
En 2018, Ballard Power Systems du Canada a annoncé le développement de systèmes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons de classe mégawatt (MW) pour les applications marines, en se concentrant sur les navires de croisière. Le plan est de fournir de l’énergie lorsque les navires de croisière sont amarrés aux ports ou de servir de puissance de propulsion principale lorsqu’ils naviguent en mer.
En 2024, Advent Technologies et Siemens Energy ont signé un accord de développement conjoint (JDA) pour intégrer le module à membrane échangeuse de protons à haute température (HT-PEM) de 50 kW d’Advent, basé sur la technologie de l’assemblage membrane-électrode (MEA) à paires d’ions, avec les solutions d’électrification et d’automatisation marines hybrides et électriques de Siemens Energy. L’objectif est de développer une solution intégrée de classe 500 kW pour les applications maritimes, allant des yachts à moteur et méga yachts aux ferries et aux navires de commerce/container.
Résumé
Les sections ci-dessus détaillent les applications commerciales pratiques des piles à combustible à membrane échangeuse de protons dans trois grands domaines : les véhicules à pile à combustible, les trains à pile à combustible et la puissance des navires à pile à combustible. À mesure que la technologie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons continue de se développer, elle devrait atteindre une commercialisation à grande échelle et réaliser la vision de la neutralité carbone à l’avenir.
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