Vers un système de gestion intelligent des piles à hydrogène

La voie est donc toute tracée pour promouvoir des énergies alternatives, renouvelables et propres afin de changer de modèle et assurer la transition énergétique. Si les piles à combustible à hydrogène comptent parmi les pistes prometteuses, des progrès sont encore à réaliser pour optimiser leur fonctionnement. Et justement, après avoir remporté l’appel à projets de Science Impulse sur le sujet, Maxime Piffard vient d’intégrer les équipes du CEA-Liten dans le but de développer un système de gestion intelligent, efficace et robuste pour ces dispositifs de production d’électricité.

Aux côtés des équipes CEA, l’ambition de Maxime Piffard est de développer un concept global de gestion des piles à hydrogène dont l’efficacité reste stable dans des conditions d’utilisation diamétralement opposées. Durée de vie, fiabilité et disponibilité passent par la connaissance fine des processus physico-chimiques à l’œuvre pour concevoir l’électronique et les algorithmes nécessaires.

Pile à combustible, où en est-on ?

Le concept de pile à combustible, au sens moderne du terme, a vu le jour au XIXe siècle et n’a cessé de se développer depuis, avec un regain certain dès le milieu du XXe siècle. Certains aspects de cette technologie sont aujourd’hui au point, mais l’émergence des applications à très grande échelle est encore étroitement liée aux efforts de recherche.

Dans l’état actuel de la technologie, les processus en œuvre au sein des piles à combustible ainsi que les matériaux qui les constituent sont connus. Il est possible de les assembler de façon industrielle et de les faire fonctionner plusieurs milliers d’heures, mais il reste encore à améliorer leur coût pour atteindre une rentabilité identique à celle des systèmes traditionnels que sont les batteries ou les solutions thermiques. La recherche engagée par le CEA vise une durabilité supérieure à ces systèmes pour un coût inférieur.

Les applications visées

Maxime Piffard s’intéresse particulièrement aux transports et par extension aux utilisations « lourdes » nécessitant beaucoup d’énergie comme les poids lourds, les transports en commun ou encore les engins de chantiers. Ces véhicules ont besoin d’une grande disponibilité et doivent fonctionner le plus longtemps possible, sans perte de temps en recharge.

Outre qu’il est simple de « refaire le plein » avec ce gaz, l’hydrogène présente également de nombreux avantages. Disponible à la demande, stockable en réservoir, sous forme gazeuse (à très haute pression) ou liquide, transportable comme le gaz naturel et donc distribuable — dans des pipe-lines avec des contraintes particulières — l’hydrogène peut servir pour la mobilité et dans les bâtiments où il sera possible de valoriser à la fois l’électricité et la chaleur de réaction pour la consommation courante. Notons au passage que le stockage de l’hydrogène à l’état solide fait l’objet d’intenses recherches au CEA avec l’utilisation d’hydrures.

Une des clés du succès de cette technologie réside dans sa durabilité. En effet, son coût, que nous avons évoqué plus haut, peut freiner son adoption et son déploiement par les industriels ou les constructeurs automobiles par exemple. Dans l’hypothèse où elles se répandent massivement, il faut s’assurer que les piles à combustible aient une durée de vie importante pour amortir leur prix sur de grandes périodes, idéalement, s’il s’agit de transport, la même durée de vie standard qu’un moteur thermique — 8 000 heures de fonctionnement environ — ce qui n’est pas encore le cas.

Comme nous l’avons déjà dit, le défi lancé par le CEA-Liten et relevé par Maxime Piffard est de travailler sur la gestion des systèmes des piles à combustible afin d’en optimiser le fonctionnement.

Gérer le fonctionnement d’une pile à combustible. De quoi est-il question exactement ?

Dans la manière de piloter les piles à combustible, certaines marges de manœuvre ne sont pas exploitées et des modes de fonctionnement sont ignorés. Une fois trouvé le meilleur point d’opération, il est conservé pour toute la durée de vie du système sans tenir compte des effets de vieillissement. Car les matériaux de la pile s’usent. Il en va ainsi du platine utilisé dans la pile qui réagit avec d’autres composés comme l’oxygène (en s’oxydant à certains niveaux de tension électrique) provoquant une réduction de la surface utile de catalyse et la baisse des performances. Dès lors, les paramètres d’exploitation initiaux sont-ils encore les bons après un certain temps d’utilisation ?

Ajoutons à cela les conditions extérieures, « réelles » en somme, sur la route et non plus celles d’un laboratoire. La canicule, le froid, la poussière, les vibrations, la pollution, etc. sont autant de paramètres à intégrer dans le pilotage de la pile.

L’axe essentiel de travail réside dans la prise en compte des plages de sollicitation de la pile et les différents paramètres qu’il est possible de faire varier : pression d’hydrogène, pression d’air, débit de gaz injecté, humidité des gaz, température à laquelle la pile fait sa réaction et le courant électrique qu’on lui demande. Tous ces paramètres sont interdépendants et pour une puissance sollicitée à l’utilisation, les combinaisons possibles sont multiples. Ce sont les fameuses marges de manœuvre que nous évoquions.

En jouant sur les configurations au fil de l’utilisation, on cherchera à produire l’électricité nécessaire au véhicule (la pédale d’accélérateur !) en favorisant les réactions chimiques normales, en minimisant les réactions parasites au sein de la pile et sans oublier de prendre en compte les conditions extérieures. Si par exemple il fait très chaud sur la route, il sera difficile de refroidir le système et la température de fonctionnement sera contrainte. Un autre paramètre de compensation que le refroidissement sera donc mis en œuvre.

Afin de mener à bien ce processus de conception du pilotage des piles, il faut comprendre les phénomènes en cause à l’échelle atomique de la matière. De nombreuses équipes au CEA les modélisent depuis déjà longtemps, permettant à Maxime Piffard de puiser dans cette base de connaissance pour écrire les algorithmes qui, alimentés par les mesures prises en direct sur le système de la pile et à l’extérieur du véhicule offriront, c’est l’objectif, un logiciel global de gestion. À ce propos, de nouvelles prises d’informations au niveau des piles elles-mêmes se dessinent, comme la mesure de la réponse électrique de la pile à des fréquences spécifiques de courant qui peuvent renseigner sur la dégradation des matériaux ou l’hydratation de la pile, phénomènes immesurables par d’autres méthodes, particulièrement sur route. Pour répondre à cette dernière nécessité, il faut alors concevoir une carte électronique permettant de mesurer plus finement les phénomènes électriques.

Le parcours de Maxime Piffard

Maxime Piffard n’est pas là où il se trouve par hasard. Diplômé de Grenoble INP-ENSE3, spécialisé dans l’automatique, il entre en stage pour 6 mois au CEA dans le laboratoire Modélisation. Il y travaille sur l’optimisation des conditions de fonctionnement des piles à hydrogène qui deviendra son sujet de thèse.Dans cette période pas si lointaine (2014/2017), il y a encore peu de travaux sur la question et les premiers véhicules industriels (Toyota) arrivent à peine sur le marché, mais la question de la durée de vie des piles se pose déjà avec acuité.

Le doctorat en poche, il intègre Symbio, qui équipe notamment des véhicules Renault de piles à hydrogène pour augmenter leur autonomie. C’est l’occasion pour lui de découvrir l’industrie, son modèle économique, ses besoins et ses contraintes et surtout une application concrète de ses recherches. Cette expérience est la pierre angulaire de la philosophie de Maxime puisqu’il n’imagine pas un instant que la recherche reste cantonnée dans un laboratoire, c’est pour lui un point déterminant.
Il côtoie alors Renault, le groupe PSA, Faurecia et forge sa conviction que les projets doivent être un jour sur la route, en intégrant les contraintes de coût, de fiabilité, de qualité, de maintenance et surtout de sécurité (on ne promène pas un réservoir d’hydrogène sous pression sans quelques garanties…).

De retour au CEA, avec le concours d’équipes à la pointe de la recherche, au sein d’un collectif où la richesse des échanges est déterminante, Maxime vise, dans les trois ans que durera son contrat, la réalisation d’un démonstrateur d’une part, et la prise de contact avec les industriels du secteur automobile d’autre part pour présenter ses résultats en vue d’une éventuelle adoption du système de gestion à grande échelle. Au-delà, l’idée est de pérenniser cette piste de recherche au sein même du CEA.