Les piles à combustible à hydrogène réduisent les émissions de CO₂

Électrifier les véhicules utilitaires avec des piles à combustible à hydrogène

Les infrastructures maritimes et portuaires sont d’importantes sources d’émissions de gaz à effet de serre (GES). Selon l'Organisation maritime internationale (OMI), le transport maritime crée plus de 900 millions de tonnes de CO₂ annuellement. Les économies mondiales dépendent du transport maritime pour acheminer leurs produits vers le consommateur, avec jusqu'à 90 % de toutes les marchandises étrangères transitant par les ports sur des porte-conteneurs, mais le tribut sur l'environnement est considérable. De plus, ceux qui vivent à proximité de ports maritimes très fréquentés sont exposés à des niveaux dangereux de pollution atmosphérique, causée par les émissions des moteurs diesel des véhicules commerciaux du port.

Par exemple, les gros véhicules industriels appelés chariots porte-conteneurs chargent et déchargent les conteneurs des porte-conteneurs. Chaque chariot porte-conteneurs émet jusqu'à 144 tonnes de CO₂ par an, et un grand port peut avoir des centaines de ces machines sur place. Remplacer le moteur diesel d'un seul chariot de porte-conteneurs par une alternative plus écologique aurait le même effet que de retirer de nos routes 32 voitures particulières à essence.

Des voitures particulières aux camions long-courriers, en passant par les locomotives et les équipements lourds, les moteurs à combustion interne (MCI) sont remplacés par des alternatives plus écologiques. Les véhicules électriques alimentés par batterie ont attiré l’attention, avec un nombre croissant d’options disponibles pour les consommateurs, tant dans les modèles de voitures que dans les stations de recharge. Mais dans les ports, les MCI sont des moteurs diesel équipant des véhicules industriels lourds tels que des tracteurs portuaires, des chariots élévateurs et des chariots porte-conteneurs. Les batteries et l'infrastructure de recharge requise ne fonctionnent pas pour bon nombre de ces opérations.

C'est là que les piles à combustible peuvent être utiles.

Un port typique émet plus de 110 000 tonnes de dioxyde de carbone par an.

Permettre l’électrification

Les piles à combustible sont bien adaptées aux lieux dotés d'équipements lourds qui doivent fonctionner pendant de longues périodes avec un minimum de temps d'arrêt pour faire le plein. Le remplissage d’une pile à combustible à hydrogène prend à peu près le même temps que le remplissage d’un réservoir d’essence de taille similaire, tandis que le rechargement d’une batterie pour véhicules électriques lourds prendrait des heures. Les piles à combustible offrent la densité de puissance et l’autonomie nécessaires au véhicule pour effectuer un le travail d’une équipe de 8 heures. Nuvera est une entreprise spécialisée dans la technologie des piles à combustible pour les véhicules commerciaux.

« Les piles à combustible sont meilleures que les batteries lorsqu'une longue autonomie est requise ou lorsque la charge de la batterie prend trop de temps, ce qui les rend idéales pour les bateaux, les avions, les camions, les bus et les véhicules d'intervention d'urgence », déclare Gus Block, employé fondateur et directeur de Nuvera.

« Elles sont également nécessaires lorsque les batteries sont trop volumineuses pour tenir sur un véhicule ou si lourdes qu'elles compromettraient la charge utile », explique Block. « Par exemple, la batterie nécessaire au chariot électrique porte-conteneurs aurait la taille d'un petit éléphant. »

L'un des moteurs à pile à combustible de la série E de Nuvera. Crédit image : Piles à combustible Nuvera.

Une alternative électrique qui ne nécessite pas de recharge

Une pile à combustible ne produit aucun échappement autre que de la chaleur et de l’eau. Dépourvu de pièces mobiles, son design est simple dans son principe : une membrane est prise en sandwich entre deux électrodes. Lorsque le combustible hydrogène rencontre l’anode, il est divisé en un proton et un électron. Le proton traverse la membrane jusqu'à la cathode, où il rencontre l'oxygène. L’électron emprunte un trajet plus long entre les électrodes, traversant un circuit électrique. Le flux d’électrons crée la puissance du moteur. A la cathode, les protons, les électrons et l'oxygène se combinent pour former de l'eau.

L'utilisation de la modélisation et de la simulation en temps réel permet aux ingénieurs de Nuvera d'itérer rapidement sur leur design et d'expérimenter sans mettre en danger le moteur réel.

La science est simple, mais il est difficile de perfectionner la recette d’une source d’énergie haute performance. De nombreux facteurs régissent les multiples réactions à l’intérieur d’une pile à combustible, et un système de contrôle logiciel doit tous les prendre en compte pour tirer le meilleur parti de la puissance et de l’efficacité de l’appareil. Le système de contrôle effectue des corrections constantes en fonction des commentaires.

« L'un des plus grands défis de design consiste à maintenir une bonne hydratation des cellules », explique Pierre-François Quet, ingénieur en chef de Nuvera. « Il n'y a pas assez d'eau et les protons ne passent pas ; trop et les cellules sont inondées. »

Leur système gère l'hydratation en modifiant la température du liquide de refroidissement et en manipulant le flux d'air pour augmenter ou diminuer l'évaporation. Pour concevoir le logiciel qui contrôle son moteur à pile à combustible (qui comprend généralement des centaines de piles à combustible empilées avec du liquide de refroidissement circulant entre elles, ainsi qu'une pompe à liquide de refroidissement et un compresseur d'air), Nuvera utilise MATLAB^® et Simulink^®. Un modèle du système physique du moteur à pile à combustible, qui comprend des équations régissant les réactions électriques et chimiques ainsi que les températures et pressions de l'eau, des gaz et du liquide de refroidissement, est également implémenté dans Simulink, explique Quet. Avec cette simulation en place, Nuvera écrit des algorithmes pour affiner des éléments tels que le débit du liquide de refroidissement afin d'obtenir les meilleures performances. Une fois l’algorithme finalisé, Simulink le traduit en code qui s’exécutera sur un processeur intégré au moteur à pile à combustible lui-même.

Un chariot porte-conteneurs à chargement par le haut sur un quai retire deux très gros conteneurs d'expédition d'une pile de conteneurs.

Hyster^® chariot porte-conteneurs à chargement par le haut. Crédit image : Groupe Hyster-Yale.

Les algorithmes de contrôle tiennent également compte de nombreuses conditions de fonctionnement. En simulation, Nuvera teste le système à des températures ambiantes basses et élevées, ainsi que dans des environnements à faible et forte humidité.

Afin d'expérimenter leurs algorithmes dans un cadre plus réaliste, Nuvera effectue des tests hardware-in-the-loop : ils chargent leur modèle de moteur sur un ordinateur personnalisé fabriqué par Speedgoat, conçu pour avoir les mêmes entrées et sorties que le moteur physique, et peut simuler son fonctionnement en temps réel. Le même ordinateur embarqué qui fait fonctionner le moteur à pile à combustible est connecté au boîtier Speedgoat et est programmé à partir du code C généré par Simulink.

Cette configuration ajoute de la rigueur tout en permettant aux ingénieurs de Nuvera d'itérer rapidement sur leur design. Cela permet également d’expérimenter sans mettre en danger un véritable moteur.

Un autre type d’hybride

Pratiquement tous les véhicules à pile à combustible sont hybrides électriquement, alimentés à la fois par des piles à combustible et des batteries. Dans certains cas, les piles à combustible fournissent une charge d'entretien pour maintenir la batterie chargée, tandis que dans d'autres configurations, la pile à combustible et la batterie alimentent les moteurs via un bus électrique. Les batteries sont également utilisées pour accepter l'énergie régénérée d'un véhicule, par exemple lorsqu'un chariot élévateur freine ou abaisse une charge.

L'équipe de Quet a d'abord dû construire un modèle de batterie lithium-ion dans Simulink, sur la base des données fournies par le fabricant et collectées en interne. Ils ont également écrit des algorithmes capables d'estimer l'état de charge de la batterie en fonction d'éléments qu'ils pouvaient mesurer : sa tension et son courant. Ils ont ensuite utilisé Simulink pour programmer l’algorithme de contrôle. Le système doit maintenir un niveau idéal de charge de la batterie, afin qu'il y ait toujours suffisamment d'énergie pour les pics de charge et suffisamment de capacité pour réabsorber l'énergie. L'équipe Nuvera a également conçu la capacité optimale pour divers composants du système en testant les algorithmes dans une gamme de scénarios de chariots élévateurs et de charges simulés.

Le meilleur des deux mondes

Les piles à combustible partagent des atouts avec les batteries et les moteurs thermiques. Comme les batteries, elles sont évolutives et silencieuses, et ne produisent pas d’émissions nocives. Mais les véhicules à pile à combustible offrent également la longue autonomie et le temps de ravitaillement rapide que l’on retrouve dans les véhicules MCI à essence et diesel. L'hydrogène peut être stocké sous pression dans un réservoir de carburant, ce qui lui permet de contenir beaucoup plus d'énergie qu'une batterie de mêmes dimensions. Ainsi, au lieu de vous arrêter pour recharger ou remplacer une batterie, vous pouvez faire fonctionner le véhicule aussi longtemps, voire plus longtemps, qu’avec une solution équivalente alimentée par batterie et passez quelques minutes à remplir le réservoir de carburant.

Les moteurs à pile à combustible de Nuvera sont notamment utilisés dans les chariots élévateurs fabriqués par leur société mère, le groupe Hyster-Yale. Nuvera a également intégré deux de ses moteurs à pile à combustible E-45 dans un véhicule Hyster^® chariot porte-conteneurs qui sera utilisé au port de Los Angeles, similaire au modèle présenté sur la photographie. En remplaçant le moteur diesel par une transmission électrique alimentée par pile à combustible dans ce seul véhicule, 128 tonnes métriques de CO₂ peuvent être évitées chaque année. Les moteurs diesel des véhicules commerciaux et industriels sont une source d’émissions de carbone et de principaux polluants qui diminuent la qualité de l’air. Nuvera travaille avec d'autres fabricants pour utiliser des piles à combustible pour électrifier les bus, les trains et les véhicules spécialisés afin de contribuer à réduire considérablement leurs émissions.

Homme conduisant un chariot élévateur, ramassant une cargaison sur un quai de chargement.

Hyster^®chariot élévateur à pile à combustible. Crédit image : Groupe Hyster-Yale.

Les piles à combustible sont évolutives et silencieuses, ne produisent pas d'émissions nocives et offrent la longue autonomie et les temps d'arrêt courts des véhicules MCI à essence et diesel.