L'étude réalisée par le Cabinet DECISION montre que les piles à combustible
 

 
semblent prêtes aujourd'hui à jouer un rôle majeur dans l'évolution de l'automobile
 

 
de demain. L'évolution des technologies rend leur mise en œuvre économique,
 

 
l'évolution des réglementations la rendra nécessaire.

Automobile : les grands constructeurs ont pris le départ

Avec les normes d'émission de plus en plus strictes aux Etats-Unis et en Europe,
 

 
la pile à combustible est devenue un enjeu suffisamment important pour que la
 

 
plupart des grands constructeurs mondiaux s'engagent dans un considérable effort
 

 
de R&D pour sortir sur le marché des voitures à pile à combustible vers 2003-2005.
 

 
De grands pôles se sont formés. D'une part, le groupe Daimler Chrysler a formé
 

 
un partenariat avec Ford, Mazda, Volvo et le fabricant canadien de piles à combustibles
 

 
Ballard. D'autre part Toyota, qui a développé sa propre technologie de piles
 

 
à combustible, s'est allié à General Motors avec Isuzu et désormais Fiat. Ces
 

 
deux pôles représentent respectivement 30% et un peu moins de 25% de la production
 

 
mondiale. Ils ont annoncé la sortie de véhicules commerciaux à pile à combustible
 

 
pour 2004, avec des programmes d'investissements de l'ordre du milliard de dollars
 

 
chacun. Honda semble encore vouloir jouer seul et prévoit également un véhicule
 

 
pour 2004 avec sa propre technologie. Renault dispose chez Nissan d'une technologie
 

 
de piles à combustibles, mais ne semble pas encore avoir annoncé une stratégie
 

 
claire dans ce domaine. Restent chez les grands Volkswagen et PSA qui sont impliqués
 

 
dans les programmes européens FEVER et CAPRI avec le fabricant de piles à combustibles
 

 
italien De Nora, mais sans avoir annoncé la sortie d'un véhicule commercial.
 

 
BMW travaille sur une solution originale où la pile à combustible servirait
 

 
de générateur auxiliaire pour fournir les besoins en énergie électrique de la
 

 
voiture, mais pas l'énergie de traction.

Le dernier espoir de la voiture électrique ?

Personne ne semble plus aujourd'hui croire au véhicule électrique à batteries.
 

 
Celui-ci n'a pas réussi à offrir une autonomie, une vitesse, un délai de recharge,
 

 
et un coût satisfaisant. Le `` ZEV `` (Zero Emission Vehicle) imposé par la législation
 

 
californienne est sans doute mort-né. De toute manière c'était un concept un
 

 
peu hypocrite puisque si la batterie ne produit pas d'émissions, la centrale
 

 
électrique qui la recharge en produit bien ! Le véhicule hybride présente moins
 

 
de difficultés. Celui-ci combine un moteur thermique optimisé avec des batteries,
 

 
ce qui permet de réduire très considérablement les émissions tout en gardant
 

 
l'autonomie et les performances des voitures traditionnelles, et en évitant
 

 
le problème de la recharge des batteries. La pile à combustible peut remplacer
 

 
le moteur thermique dans cette configuration hybride, et permet de réduire encore
 

 
plus le niveau d'émissions.

Une technologie propre, mais…

Les piles à combustible ont servi de sources d'énergie dans toutes les missions
 

 
spatiales habitées américaines (Apollo, Gemini, Orbiter…). Elles produisaient,
 

 
outre l'électricité, de l'eau potable pour les cosmonautes. Malheureusement
 

 
sortie de l'espace la technologie des piles à combustible perd un peu de sa
 

 
pureté. Les piles à combustible fonctionnent en effet selon le principe inverse
 

 
de l'électrolyse, qui décompose l'eau avec un courant électrique en oxygène
 

 
et en hydrogène. Dans une pile à combustible au contraire on recompose l'hydrogène
 

 
et l'oxygène en présence de catalyseurs, et il en résulte un courant électrique
 

 
et de l'eau. Dans l'espace on emporte de l'oxygène et de l'hydrogène purs, et
 

 
on ne lésine pas sur les catalyseurs précieux (platine). Mais si on veut appliquer
 

 
cette technologie à l'automobile les choses se compliquent. On utilisera de
 

 
l'air plutôt que de l'oxygène pur, mais au prix d'une baisse des performances,
 

 
et de problèmes avec le CO et le CO2 présents dans l'air. Mais surtout alimenter
 

 
les piles à combustible avec de l'hydrogène pur pose des problèmes de stockage,
 

 
de distribution, de ravitaillement. De plus l'hydrogène n'existe pas à l'état
 

 
naturel et il faut le produire, ce qui comme dans le cas des batteries revient
 

 
à déplacer le problème de la pollution de l'auto vers l'usine d'hydrogène. Dans
 

 
l'immédiat on cherche donc à utiliser un combustible plus pratique, en extrayant
 

 
l'hydrogène qu'il contient dans un reformeur embarqué. L'idéal serait l'essence
 

 
ou le gasoil, mais ils sont difficiles à reformer et ils contiennent beaucoup
 

 
de carbone qui risque de polluer. Le compromis généralement accepté aujourd'hui
 

 
est le méthanol, un combustible liquide facile à reformer. Mais sa production
 

 
actuelle est faible (moins de 30 millions de tonnes par an dans le monde), et
 

 
surtout il faudrait adapter le réseau de distribution. Et naturellement le rendement
 

 
global diminue avec la production de méthanol et son reformage. Le développement
 

 
de piles à combustible qui utilisent directement du méthanol sans reformage
 

 
préalable semble une solution idéale. Malheureusement ces piles ont des performances
 

 
sensiblement inférieures, ce qui fait qu'elles sont plus encombrantes et qu'on
 

 
n'évite pas la diminution du rendement.

Des technologies et des marchés divers

Inventées en 1839, les piles à combustible semblent enfin sur le point de déboucher
 

 
commercialement plus d'un siècle et demi plus tard, grâce aux considérables
 

 
progrès réalisés dans le domaine des matériaux (membranes, céramiques…), et
 

 
grâce aux effets conjugués de la régulation de la pollution et de la dérégulation
 

 
des réseaux électriques. Plusieurs technologies sont développées. Les piles
 

 
à basse ou moyenne température sont les plus avancées, et sont arrivées au stade
 

 
commercial ou pré-commercial. Les piles alcalines (AFC) ont été les plus utilisées
 

 
dans l'espace, mais aujourd'hui on leur préfère les piles à membrane (PEMFC)
 

 
plus adaptés à un marché de masse comme l'automobile. Les piles à acide phosphorique
 

 
(PAFC) sont une technologie mature adaptée aux usages stationnaires (cogénération).
 

 
Il en a été vendu plus de 300 dans le monde, essentiellement aux Etats Unis
 

 
et au Japon, à un prix de l'ordre de 3000 $/kW. Les technologies à haute température
 

 
(MCFC et SOFC) ont le grand avantage de permettre un reformage interne de combustibles
 

 
comme le gaz naturel, et sont particulièrement bien adaptées aux applications
 

 
stationnaires ou la production d'électricité s'accompagne de production de chaleur.
 

 
Ces technologies sont encore au stade expérimental, même si leur commercialisation
 

 
est prévue d'ici 2001-2003. Les marchés des piles à combustibles sont de trois
 

 
grands types. L'automobile d'abord, avec la technologie PEMFC, qui constitue
 

 
un débouché considérable en cas de succès. Mais les conditions à ce succès sont
 

 
sévères. Le coût ne doit pas durablement être plus élevé que celui des automobiles
 

 
conventionnelles, soit un objectif de 50 $/kW alors que les coûts actuels sont
 

 
plutôt de 3000 $/kW. La fiabilité devra être la même que celle des véhicules
 

 
actuels si on ne veut pas risquer un rejet des consommateurs. Le second grand
 

 
marché est celui des applications stationnaires. C'est le domaine privilégié
 

 
des technologies à haute température, mais les PEMFC visent aussi ce marché
 

 
même si leur faible température de fonctionnement ne permet pas de tirer pleinement
 

 
parti de la cogénération. Il ne s'agit pas ici de remplacer les grandes centrales
 

 
électriques par des centrales à piles à combustible, mais d'introduire à la
 

 
faveur de la dérégulation de nouvelles architectures des réseaux faisant largement
 

 
appel à la production décentralisée. La cogénération permet d'excellents rendements
 

 
globaux, et la décentralisation permet de réduire considérablement le coût des
 

 
réseaux de transport et de distribution d'électricité. L'objectif de coût est
 

 
ici plus facile à atteindre, et se situe vers 1000 $/kW. Ce marché de la cogénération
 

 
et de la production distribuée ne concerne pas seulement les industries, services
 

 
et PME, mais aussi le secteur résidentiel. Des installations domestiques sont
 

 
prévues, fournissant électricité et chauffage ou climatisation dans les maisons
 

 
individuelles. Un troisième marché bien plus hétérogène est celui des applications
 

 
portables ou de niche. Comme dans les applications spatiales ce n'est pas le
 

 
coût qui est déterminant ici, mais la commodité d'usage. Motorola étudie avec
 

 
un laboratoire américain une pile à combustible pour téléphone portable alimentée
 

 
pour une semaine par une cartouche de méthanol de la taille d'une cartouche
 

 
d'encre de stylo. Siemens a installé des PEMFC dans des sous-marins allemands
 

 
pour leur donner une plus grande autonomie en plongée. Et il existe un grand
 

 
nombre de marchés pour des applications de niche de type source d'énergie pour
 

 
le camping, la plaisance, les sites isolés, stations météo…

Les piles à combustible : une industrie naissante

L'industrie des piles à combustible est en train de se dessiner. Elle est surtout
 

 
vigoureuse en Amérique du Nord, soutenue notamment par d'importants programmes
 

 
de R&D gouvernementaux. Le canadien Ballard et IFC (filiale commune de l'américain
 

 
UTC et du japonais Toshiba) dominent dans les PEMFC, avec un certain nombre
 

 
de challengers, comme H Power ou Plug Power entre autres. Par ailleurs Du Pont
 

 
a un quasi monopole de la production de membranes pour PEMFC avec sa membrane
 

 
Nafion. IFC dominait également dans les AFC, et dans les PAFC c'est ONSI (une
 

 
autre filiale commune de UTC et de Toshiba) qui est le leader incontesté. Dans
 

 
les SOFC c'est Westinghouse le leader, et dans les MCFC deux américains dominent,
 

 
MC Power et FuelCell Energy. Au Japon la situation est plus complexe. Ce sont
 

 
les grandes entreprises de la construction électrique comme Fuji, Hitachi, Mitsubishi,
 

 
Toshiba, IHI qui poursuivent des travaux dans le domaine des piles à combustible.
 

 
Parallèlement les grands constructeurs automobiles comme Toyota, Honda, Nissan
 

 
développent leur propre technologie de PEMFC en interne. En Europe l'effort
 

 
de R&D est sensiblement inférieur à ce qu'il est aux Etats-Unis et au Japon.
 

 
Les activités en AFC ont été arrêtées pour l'essentiel avec l'abandon du projet
 

 
de navette spatiale européenne Hermès. En PEMFC Siemens a développé des piles
 

 
pour les sous-marins non-nucléaires allemands, et l'italien De Nora a développé
 

 
des piles qui équipent notamment le véhicule du programme européen FEVER. Alstom
 

 
a signé un accord avec Ballard pour développer en Europe des applications stationnaires
 

 
en technologie PEMFC. En SOFC Siemens est devenu leader par l'acquisition de
 

 
Westinghouse, mais les travaux de développement continuent à se faire aux Etats
 

 
Unis. Le suisse Sulzer Hexis développe des SOFC de quelques kW pour applications
 

 
résidentielles. Pour le moment les grandes options prises sur le marché automobile
 

 
ne sont guère favorables aux fabricants européens de piles à combustible. Daimler
 

 
Chrysler a choisi Ballard entraînant Volvo dans son sillage. Fiat a rejoint
 

 
le groupe General Motors-Toyota avec des PEMFC Toyota. Renault dispose désormais
 

 
de ressources internes avec les PEMFC Nissan. Siemens et De Nora vont devoir
 

 
se battre avec acharnement s'ils veulent se tailler une part de ce marché.