Chez General Motors (GM), l’avenir automobile a d’ores et déjà un nom : HydroGen3, véhicule cinq places à piles à combustible basé sur le monospace Opel Zafira, dont le concept technologique novateur non seulement permet de circuler sans problème au quotidien avec une propulsion à l’hydrogène, mais représente en outre une avancée considérable sur la voie qui mène à la production des voitures de demain. Il satisfait en effet aux principales exigences définies par les spécialites de la fabrication de GM et Opel. « Il y a quelques années encore, un progrès aussi rapide dans le développement de l’automobile à piles à combustible aurait été qualifié de pure utopie », a déclaré Larry Burns, Vice-Président de GM pour la recherche, le développement et la planification.

Cette évolution vertigineuse est le fruit de la vaste expérience que possède GM dans le domaine de l’utilisation des piles à combustible. GM a été le premier constructeur à présenter un véhicule roulant équipé de cette technologie avant-gardiste, et cela dès la fin des années 60. Depuis, des centaines de millions de dollars ont été investis pour en poursuivre l’étude et le développement.

Afin de donner un coup d’accélérateur aux recherches menées sur ce concept de propulsion écologique - il respecte l’environnement et préserve les ressources naturelles -, trois centres de développement ont été créés en 1997, dont deux aux États-Unis : à Honeoye Falls près de Rochester (New York) et à Warren (Michigan), et un troisième à Mayence-Kastel (Allemagne), auxquels s’ajoutèrent par la suite le GM Advanced Technology Center de Torrance (Californie), spécialisé dans la propulsion électrique, et un bureau à Tokyo. Les travaux des différents centres portent respectivement sur un volet précis du programme commun désigné sous le nom de GM Fuel Cell Activities : Warren assure la recherche fondamentale, tandis qu’à Honeoye Falls on s’occupe du développement de la pile à combustible ainsi que de différents composants ; on y étudie également les possibilités de fabrication en grande série de la pile à combustible. L’équipe de Torrance met son expertise au service des composants de propulsion électrique, celle de Mayence-Kastel étant quant à elle responsable du développement du système, de son intégration dans le véhicule et des essais pratiques, ainsi que du développement de systèmes de stockage de l’hydrogène. Au total, les différents sites emploient quelque 500 salariés.

Lors du développement du concept de propulsion avant-gardiste mis en œuvre dans l’HydroGen3, scientifiques et ingénieurs dans les centres ont pu mettre à profit une multitude de connaissances et d’expériences préalablement acquises, essentiellement en corrélation avec la mise au point du véhicule expérimental HydroGen1, lui même reposant sur un grand nombre de projets précédemment étudiés. Présenté au printemps 2000 et basé lui aussi sur l’Opel Zafira, ce prototype était alimenté en énergie électrique de propulsion par une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène pur, ce qui constituait une première. Cette pile - 200 cellules connectées en série - peut développer 80 kW de puissance en continu et permet, à l’aide du moteur électrique triphasé synchrone de 55 kW (75 ch), de passer de 0 à 100 km/h en 16 secondes et d’atteindre une vitesse maximale de 140 km/h.

Succès : 15 records dans le désert de l’Arizona

À l’appui de ces chiffres qui, à eux seuls, montrent bien que l’HydroGen1 représentait déjà un très haut niveau de développement technologique, une démonstration éclatante en a été fournie en mai 2001 dans le cadre d’un vaste programme d’essais qui s’est déroulé sur la piste d’essais de General Motors à Mesa, dans l’État d’Arizona. Malgré la chaleur caniculaire qui régnait dans le désert, le prototype a pu établir un total de 15 records internationaux dans la catégorie des véhicules mus par une pile à combustible. Au cours d’un marathon de 24 heures, il a couvert une distance de 1 386,9 kilomètres à une vitesse moyenne de 57,8 km/h. Pendant les épreuves, on a relevé des températures de 38 degrés à l’ombre, tandis que sur la piste, les thermomètres indiquaient jusqu’à 65 degrés.

L’HydroGen1 a administré une preuve supplémentaire de son remarquable potentiel lors du « Challenge Bibendum Michelin » 2001 en Californie, une compétition internationale ouverte aux véhicules écologiques. Parmi les concurrents - presque tous les constructeurs européens, américains et japonais étaient présents -, le Zafira à hydrogène a été le seul véhicule particulier animé par une pile à combustible à terminer la course de 350 kilomètres reliant Los Angeles à Las Vegas. L’HydroGen1 a également convaincu dans de nombreuses épreuves sur le plan des émissions, du bruit et de la maniabilité ; il a en outre obtenu le prix « Bibendum » pour l’intégration réussie du système de piles à combustible sur le véhicule.

Dans le cadre d’une tournée mondiale à travers quatre continents, le prédécesseur de l’HydroGen3, qui préfigure le moyen de transport individuel propre de demain, a également marqué des points auprès des journalistes, scientifiques et personnalités du monde politique, soit plus de 600 personnes au total qui ont effectué des essais avec le véhicule expérimental GM. Les moments forts de ce périple planétaire ont été ses apparitions comme véhicule ouvreur des épreuves du marathon aux Jeux Olympiques de Sydney, sa présence très remarquée lors d’un symposium scientifique dans la métropole chinoise de Pékin, ainsi que sa participation active au California Fuel Cell Partnership, créé conjointement par l’industrie et le gouvernement américain. Au total, les véhicules HydroGen ont parcouru jusqu’à maintenant environ 75 000 kilomètres, à travers toute une batterie d’épreuves sévères réparties dans le monde entier.

Un atout : la coopération avec des partenaires internationaux forts

Le développement de l’HydroGen3 a bénéficié non seulement du savoir-faire de toute l’équipe et des succès remportés par son prédécesseur, mais aussi et pour une large part de la coopération avec une série d’entreprises partenaires. Ainsi, depuis 1999, ingénieurs et scientifiques coopèrent étroitement avec le constructeur japonais Toyota dans le domaine de la recherche sur la technologie des piles à combustible. En 2001, GM a également conclu avec Suzuki une alliance dont l’objet est l’implantation de cette technologie futuriste sur de petites voitures. Il existe en outre des accords de coopération avec des entreprises technologiques prometteuses et au développement dynamique dans lesquelles GM investit. Il s’agit en l’occurrence de :

 General Hydrogen : l’entreprise s’occupe du côté infrastructures de l’économie de l’hydrogène
 Giner Electrochemical Systems : possède une grande expérience dans le domaine des électrolyseurs à membrane haute pression.
 Hydrogenics Corporation : une entreprise spécialisée dans les dispositifs d’essai des piles à combustible et les concepts de piles à combustible novateurs destinés à des applications spéciales.
 Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide : développe des réservoirs haute pression de stockage de l’hydrogène.

Automobile et hydrogène : le mariage est pour bientôt

La production en série se rapproche. Avancée décisive au niveau du réservoir de stockage sous pression

Le développement de la voiture à piles à combustible se déroule en accéléré : en 1997, lorsque sont créés les centres de recherche GM, il n’est question que de parvenir à faire fonctionner tous les composants nécessaires dans les conditions du laboratoire. L’étape suivante va consister à intégrer cette nouvelle technologie dans des prototypes prêts à rouler. Et déjà, l’actuel véhicule expérimental HydroGen3 vise résolument la production en série : le nombre de ses organes a pu être réduit, leur volume diminué et leur intégration optimisée de telle sorte que tous prennent place sous le capot de l’automobile à hydrogène basée sur le monospace Zafira. Mais ce n’est pas tout : les ingénieurs ont en outre réussi à les grouper en un module dit PDU (Propulsion Dressup) : comme les éléments d’un système de propulsion de moteur thermique conventionnel, les 15 principaux composants sont prémontés, puis, au moment de l’assemblage, introduits en bloc dans la carrosserie par en dessous et fixés par vis.

Le Dr. Wolf-Ulrich Herres, responsable du développement du concept de fabrication au centre de recherche allemand de GM explique : « Pour la construction du module PDU, les développeurs de composants et de systèmes ont dû respecter les exigences concrètes appliquées à la production en grande série. On a ainsi réalisé pour le module PDU le même système d’arbre de sortie que pour les moteurs à combustion. Il présente en outre des points de fixation identiques pour les palettes de montage et le portique d’assemblage de la production en série du Zafira. Nous avons ainsi pu mettre en place les conditions indispensables pour l’intégration future de la voiture à piles à combustible dans une production variée en très grande série. Au cours de la prochaine étape, il s’agira de faciliter le montage et la maintenance de chacun des organes et de chacune des connexions. »

Notons toutefois qu’au stade actuel, cette unité d’entraînement novatrice pèse encore 300 kg environ, soit 100 de plus qu’un moteur diesel conventionnel par exemple, qu’elle dépasse également un peu en volume avec ses 75 x 70 x 55 centimètres (largeur x hauteur x profondeur). Mais M. Herres est confiant : « Au cours de la prochaine étape d’optimisation, si nous passons au crible chaque vis, nous allons, c’est certain, une fois de plus progresser de façon décisive. » Son optimisme repose sur l’expérience. Car par rapport à l’HydroGen1, dont les organes de commande prenaient encore une place considérable à l’intérieur du Zafira, on a réussi à économiser environ 150 kilos, ce qui représente un pas de géant en direction du poids idéal, fixé à 1 590 kilos pour l’ensemble du véhicule.

L’organe le plus important qui a pu être éliminé sur l’HydroGen3 est la batterie tampon hautes performances. Sur l’HydroGen1, cet accumulateur d’énergie servait à gérer les pics de performances du groupe motopropulseur. Or elle est devenue superflue du fait de l’optimisation dynamique du système de piles à combustible réalisée par les ingénieurs, grâce à laquelle celui ci est en mesure de fournir immédiatement par lui même la puissance requise. Ce progrès, qui à lui seul représente une économie de poids de près de 100 kilos, offre en outre l’avantage de ramener la hauteur du plancher de la zone de chargement de l’Hydrogen3 au même niveau que le modèle de série, ce qui fait que son volume de chargement est identique à celui d’un Zafira en configuration cinq places (600 litres).

Seconde étape importante : grâce à l’optimisation de l’architecture du système complet de piles à combustible, l’eau produite par la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène dans les piles suffit pour couvrir les besoins en hydratation des membranes des cellules. On n’a donc plus besoin d’humidificateurs externes, d’où des gains de place et de poids supplémentaires. Perfectionné lui aussi, le système de traction électrique est maintenant beaucoup plus compact. Le module complet (comprenant l’onduleur, le moteur électrique et la transmission avec position de stationnement et différentiel), placé entre le transformateur de tension et l’arbre moteur qui servent d’interfaces, ne pèse en tout que 92 kg.

Exigence : une infrastructure dense et des coûts plus faibles

La grande avancée du projet global HydroGen en direction de la série apparaît également à travers des détails apparemment accessoires. On note par exemple une très nette amélioration du confort offert par l’HydroGen3 par rapport à son prédécesseur. À bord du véhicule expérimental, une installation de climatisation électrique répand désormais une température agréable. Le véhicule dispose en outre d’un système de diagnostic complet qui informe le conducteur en permanence de l’état de tous les systèmes.

Malgré tous ces progrès, il faudra attendre encore quelques années avant de trouver les véhicules à piles à combustibles dans les circuits commerciaux classiques. Les efforts devront porter essentiellement sur deux aspects capitaux : la mise en place d’une infrastructure suffisamment dense pour assurer la distribution d’hydrogène d’une part, la maîtrise des coûts inhérents au système d’autre part. En se basant sur une quantité annuelle de 100.000 unités, la technologie des piles à combustible coûte aujourd’hui encore dix fois le prix d’un système de propulsion à moteur thermique comparable. Les facteurs essentiels qui interviennent ici sont les matériaux onéreux utilisés dans la pile elle même, la technique de stockage de l’hydrogène à bord et quelques composants de l’unité de commande.

Concernant les systèmes de stockage de l’HydroGen3, les ingénieurs explorent actuellement deux pistes : une partie des prototypes, appelés « HydroGen3 liquid », est équipée de réservoirs isolés au maximum contenant de l’hydrogène liquide maintenu à moins 253°, tandis que d’autres véhicules dénommés « HydroGen3 compressed 700 » sont pourvus de réservoirs haute pression en matériau composite à fibres de carbone. « Les deux projets sont d’ores et déjà capables de fonctionner au quotidien et, grâce au travail intensif des dernières années, ils nous garantissent des autonomies de 270 kilomètres pour le réservoir sous pression et de 400 pour le réservoir à hydrogène liquide, explique le Dr. Josefin Meusinger, responsable des systèmes de stockage de l’hydrogène. Toutefois, les deux systèmes présentent encore des inconvénients, à commencer par les coûts élevés liés aux valves cryogéniques dans le cas du stockage liquide, et aux bobinages en fibres de carbone dont sont enveloppés les réservoirs dans le second cas. »

Le réservoir à hydrogène liquide à double paroi, dont l’intérieur est isolé contre la conduction thermique par un vide créé entre les parois extérieure et intérieure, a une contenance de 68 litres ou 4,6 kg. Plusieurs couches de fins films d’aluminium assurent une protection supplémentaire contre le rayonnement thermique. Comme son pendant à haute pression, le réservoir est placé devant l’essieu arrière, sous la banquette arrière qui a été relevée de 25 millimètres pour le loger. Le système de réservoir complet (avec les vannes, l’échangeur thermique et les supports) pèse 90 kg. Composé de deux récipients, le système de réservoir sous pression, capable de stocker une quantité totale de 3,1 kg d’hydrogène, présente un poids comparable (95 kg).

Compte tenu de la capacité offerte, le stockage d’hydrogène sous forme liquide constitue la variante la plus attractive pour les grands consommateurs de kilomètres, y compris sous l’angle du phénomène appelé boil off. On désigne par là le fait que, même avec la meilleure isolation, le contenu du réservoir se réchauffe lentement et que de l’hydrogène gazeux s’échappe du véhicule à l’arrêt. Une situation que les grands consommateurs de kilomètres ne connaissent pas, car ils peuvent utiliser cet hydrogène gazeux pour rouler avant qu’il ne soit évacué du système de réservoir.

Un grand progrès : le réservoir de 700 bars avec certificats internationaux

Ce phénomène du boil off n’existe pas avec le réservoir sous pression. Les ingénieurs étaient confrontés ici à une autre difficulté, due au fait que la quantité d’hydrogène stockable est directement liée à la pression maximale autorisée. Or celle ci était limitée jusqu’à maintenant à 350 bars. C’est donc un progrès décisif qui est intervenu au printemps 2002, parallèlement au développement de l’HydroGen3 : le Technische Überwachungsverein (TÜV, association de contrôle technique des véhicules) a pour la première fois autorisé un réservoir de 700 bars. Le système a été validé et certifié conformément aux dispositions de l’EIHP (European Integrated Hydrogen Project) et satisfait également à la norme industrielle américaine « NGV2 » ainsi qu’aux directives allemandes relatives aux récipients sous pression.

Le réservoir est le fruit de la coopération décidée un an auparavant entre Opel, GM et l’entreprise Quantum, spécialisée dans le design, le développement et l’essai de technologies pointues de stockage de l’hydrogène pour les applications automobiles. Le concept TriShieldTM développé par Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide se caractérise notamment par une enveloppe intérieure sans soudure et imperméable à l’hydrogène, une gaine hautes performances en matériau composite à fibres de carbone et un bobinage de protection breveté. Pile à combustible et système de propulsion

Rendement nettement supérieur à celui des moteurs à combustion

Le développement de l’HydroGen3 avait pour principal objectif, outre la conception compacte et modulaire du système de propulsion, l’amélioration de ses performances et de son fonctionnement au quotidien. Un simple coup d’œil sur la motorisation de l’automobile à piles à combustible montre les progrès réalisés par les ingénieurs et scientifiques dans les centres de recherche GM. En même temps, il met en évidence le chemin parcouru par GM dans le développement de la technologie hydrogénique depuis ses premiers pas, il y a plus de 30 ans, pour parvenir à la production en série. Tandis qu’à l’époque, le système propulseur remplissait un minibus, aujourd’hui, la pile à combustible, le moteur électrique et les organes annexes (échangeur thermique, compresseur), se rangent sous le capot d’un monospace Opel Zafira.

Le transformateur d’énergie mis au point par les spécialistes GM se compose d’une pile de 200 cellules montées en série. A l’intérieur de ces cellules, l’hydrogène et l’oxygène réagissent à l’aide d’un catalyseur au cours d’un processus électrochimique pour générer de l’eau. L’énergie chimique libérée par cette réaction se transforme en grande partie en énergie électrique. La pile de l’HydroGen3 délivre, pour une température de processus de 80°, une puissance constante de 94 kW et une puissance en crête de 129 kW. Selon la demande, elle produit une tension continue de 125 à 200 volts.

Cette tension est amenée à une valeur comprise entre 250 et 380 volts et convertie en courant alternatif par un organe de commande électronique, puis envoyée dans un moteur asynchrone à courant triphasé qui développe 60 kW/82 ch. Cette unité, dont le couple maximal est de 215 Nm et le régime maximal de 12 000 t/mn, actionne les roues avant de l’HydroGen3 par l’intermédiaire d’une transmission à engrenages planétaires intégrée présentant un rapport de démultiplication de 8,67:1. Doté d’un groupe motopropulseur pratiquement silencieux, le Zafira à piles à combustible n’a besoin que de 16 secondes pour passer de 0 à 100 km/h. Il atteint une vitesse de pointe de 160 km/h.

Avec ses 472 x 251 x 496 millimètres (longueur x largeur x hauteur), les dimensions de la pile de l’HydroGen3 ont nettement diminué par rapport à celle de son prédécesseur (590 x 270 x 500 millimètres). Par ailleurs, la puissance volumique de la pile, qui fonctionne à une pression comprise entre 1,5 et 2,7 bars, a augmenté et s’établit à 1,60 kilowatt par litre ou 0,94 kilowatt par kilo, contre des valeurs de 1,10 kilowatt par litre et 0,47 kilowatt par kilo sur l’HydroGen1. La pile à combustible se distingue par un bon comportement au démarrage à froid : à une température de moins 20°, la pleine puissance est déjà disponible au bout de 30 secondes - un facteur important au regard de l’utilisation quotidienne de la technologie des piles à combustible dans l’automobile.

On favorise aujourd’hui pour les applications automobiles la pile à combustible de type PEM (Polymer-Electrolite-Membran). Elle fonctionne à des températures de 80 à 90° seulement et se compose pour l’essentiel de trois éléments : l’électrode à combustible (anode), l’électrode à oxygène (cathode) et l’électrolyte, qui se charge du transport des ions lors de la réaction chimique.

Dans la cellule, le processus électrochimique se déroule de la façon suivante : lorsque l’anode revêtue d’un catalyseur est alimentée en hydrogène, celui ci libère des électrons. Les ions d’hydrogène (protons) circulent à travers l’électrolyte (en l’occurrence la membrane polymère) en direction de la cathode, où ils se combinent avec l’oxygène atmosphérique pour donner de l’eau. Les électrons qui se forment sur l’anode peuvent fournir une énergie électrique en allant vers la cathode. De cette manière, un certain nombre de cellules montées en série génèrent suffisamment de puissance pour pouvoir actionner un moteur électrique.

L’objectif : parcourir plus de 160.000 kilomètres

Ce qui est décisif au regard de la rentabilité et de la propreté de l’HydroGen3, ce sont les excellents indices de rendement du véhicule, autrement dit le taux d’utilisation de l’énergie fournie par l’organe moteur. Le véhicule expérimental atteint ainsi, à une vitesse de 100 km/h, un rendement nettement supérieur à 40%, ce qui le place (de même que dans d’autres plages de vitesse) très au dessus d’un véhicule diesel moderne. Selon le cycle de référence automobile européen, l’HydroGen3 affiche un rendement de 36%, tandis qu’un véhicule diesel de même puissance à injection directe n’atteint que 22%. Et cela moyennant des émissions de CO2 nulles, contre les 177 grammes de CO2 par kilomètre enregistrés pour le diesel. Lors d’une étude GM visant à analyser le bilan énergétique et les émissions à effet de serre pour 44 filières de carburants et 18 systèmes de propulsion, depuis l’extraction de l’énergie primaire jusqu’à sa consommation dans le véhicule (« well-to-wheel »), c’est la propulsion par piles à combustible avec l’hydrogène comme carburant qui a obtenu les meilleurs résultats.

Pourquoi a t-il fallu attendre jusqu’à aujourd’hui pour obtenir de telles valeurs, alors que le principe des piles à carburant a été découvert il y a plus de 160 ans par Sir William Robert Grove ? Le Dr. Erhard Schubert, Directeur du centre de développement des piles à combustible de Mayence Kastel répond : « C’est au cours des dix dernières années qu’ont été effectués, dans le domaine de la technologie membranaire, les principaux progrès qui étaient nécessaires pour produire la pile à combustible PEM. À cela s’ajoute le fait que la technologie informatique nous permet depuis peu seulement d’élaborer des modèles de systèmes de piles à combustible sur des ordinateurs hautes performances. » Autres facteurs ayant également, d’après lui, favorisé le progrès : une compréhension aujourd’hui plus profonde des processus de catalyse qui se déroulent dans la pile, ainsi que les développements dans les domaines de la technologie de surface, des procédés de fabrication et de l’électronique hautes performances.

C’est précisément en s’appuyant sur de tels procédés et connaissances que les ingénieurs GM ambitionnent, le moment venu, de mettre à la disposition du consommateur une voiture à hydrogène qui ne présente plus aucune différence par rapport aux véhicules conventionnels, et ce non seulement au niveau de la sécurité, du confort, des coûts et des performances, mais aussi de la fiabilité et de la longévité. Leur objectif : lorsque les voitures GM à piles à combustible sillonneront les routes en grandes quantités, la pile devra offrir une durée de service de 5.500 heures au minimum, ce qui correspond à une distance d’environ 160.000 kilomètres.

Tests et sécurité : Le prototype HydroGen a déjà parcouru 75.000 kilomètres

Deux bonnes années seulement après le voyage inaugural du premier véhicule à piles à combustible basé sur le monospace Opel Zafira, les prototypes sont déjà de véritables globetrotters : l’HydroGen1 et l’HydroGen2 ont parcouru pas moins de 75.000 kilomètres d’essais très durs tout autour du globe. Ils se sont rendus en Australie et en Chine, ont affronté la fournaise du désert de l’Arizona et traversé de violentes averses, avalé des kilomètres de routes pavées cahoteuses et franchi allègrement plus d’un col italien et suisse. « À aucun moment n’est apparue une fuite d’hydrogène, ce qui constitue un résultat particulièrement satisfaisant », a commenté Bernd Zerbe, l’ingénieur responsable de ces éprouvants essais au centre de Mayence Kastel.

Et si cela avait été le cas ? Eh bien, il n’en aurait pas résulté de danger particulier pour l’équipe HydroGen3 ni pour son environnement. La preuve en a été fournie par les pilotes essayeurs au travers d’une multitude d’expériences, dont des essais de propagation et d’allumage de l’hydrogène. Dans un tunnel désaffecté en Norvège, on a simulé le plus terrible des accidents imaginables : après un crash, une fuite dans le réservoir laissant échapper de grosses quantités d’hydrogène. La question qui se pose est celle ci : va-t-il y avoir une explosion ? Et quand ? Immédiatement après l’échappement du gaz ou un quart d’heure après par exemple ? Réponse : dans les deux cas, aucun mélange inflammable ne se forme. Bernd Zerbe précise : « Cela s’applique également à un tunnel sans aération additionnelle, l’appel d’air étant toujours suffisant même sans ventilateurs. » L’explication est la suivante : contrairement aux vapeurs d’essence qui se concentrent au niveau du sol, l’hydrogène est très volatile et se diffuse extrêmement vite.

De tels essais ne sont d’ailleurs pas obligatoires pour les véhicules à piles à combustible, car il n’existe à ce jour aucune réglementation légale y afférente. Les experts en sécurité de GM ont donc élaboré leur propre cahier des charges. Sur une échelle de dangerosité allant de un à dix, ils notent ainsi les conséquences qu’un éventuel défaut pourrait entraîner, par exemple dans le grand hangar à véhicules d’un exploitant de flotte. Et de même que pour le garage domestique, le résultat, après divers essais, simulations et calculs était le suivant : la technologie sécuritaire et l’ingénierie diffèrent par rapport aux véhicules essence, mais le potentiel de mise en péril n’est pas plus grand.

L’hydrogène n’est cependant pas le seul point sur lequel les véhicules HydroGen ne représentent aucun surcroît de risque par rapport aux automobiles classiques : ils n’ont rien à leur envier non plus sur le plan de la sécurité passive. Environ 20 simulations de crash détaillées sur ordinateur ainsi qu’une réelle collision frontale réalisée à 56 km/h en choc décalé à 40% contre une barrière déformable avec un véhicule presque entièrement équipé ont permis de conclure que, dans tous les cas de figures (collision frontale, latérale et arrière), les Zafira à hydrogène satisfont d’ores et déjà aux directives européennes. « Ce crash frontal a montré que, du point de vue de la sécurité en cas de collision, l’agencement de la pile à combustible ne le cédait en rien aux véhicules à moteur thermique. Grâce à un gros renfort sur le longeron de l’essieu avant, nous avons pu empêcher une forte déformation de la paroi de séparation, et ce malgré un surpoids actuel de 200 kilos par rapport à un modèle de série », a déclaré Johannes Diehl, ingénieur responsable à Mayence Kastel.

À la grande satisfaction du spécialiste de la sécurité, les résultats des essais ont dépassé non seulement les exigences légales, mais aussi celles, nettement plus sévères, définies en interne par l’entreprise. À noter parmi les dispositifs de sécurité spéciaux de l’HydroGen3 une valve qui, en cas d’accident, au signal donné par un capteur déclencheur, ferme l’arrivée d’hydrogène depuis le réservoir. Bien que des standards élevés aient été ainsi atteints, pour Johannes Diehl, le développement de l’équipement de sécurité de l’HydroGen3 est loin d’être achevé.

Un marathon impitoyable : vaste programme d’essais tout autour du globe

Les résultats positifs enregistrés au niveau de la sécurité se retrouvent d’ores et déjà dans d’autres domaines tels que la fiabilité et la durabilité. C’est ce qu’a mis en évidence le vaste programme d’essais auquel les prédécesseurs de l’HydroGen3 se sont soumis jusqu’à maintenant, dont un test de chaleur de plusieurs semaines à des températures atteignant 38 degrés à l’ombre, effectué sur la piste d’essai de GM à Mesa, Arizona. Dans le cadre de ces essais très complets, 15 records internationaux de vitesse et de distance ont en outre été établis dans la catégorie véhicules à piles à combustible. Figuraient également au programme des essais de durée sur le terraind’essaideBalocco,aunorddel’Italie,lorsdesquelslescandidatsdurentsupporterlesconditions de route et de roulage les plus diverses, ainsi qu’un essai de 24 heures à vitesse maximale constante sur la piste haute vitesse du terrain d’essai allemand d’Opel à Dudenhofen. Certains composants individuels qui avaient été intégrés à cette fin dans des modèles de série Zafira ont également été testés.

Un marathon d’essai et de validation plus important encore attend les prototypes. Manfred Herrmann, chef de projet pour l’HydroGen3 précise : « Rien que pour les trois dernières semaines, nos véhicules ont subi un cycle complet d’essais de durée. » L’agenda prévoit encore, entre autres, quelques exercices d’escalade en vue de contrôler le comportement thermique sur les routes de montagne, des épreuves avec remorque ainsi que de nombreuses et longues ascensions et descentes du col alpin « Stilfser Joch », haut de 2.758 mètres. Ces épreuves sont nécessaires du fait que le moteur électrique de la voiture à piles à combustible confronte les ingénieurs à un problème particulier : contrairement au moteur à combustion, il ne produit pas d’effet de freinage dans les descentes. « Nous avons déjà quelques solutions intelligentes en tête, dont nous voulons étudier les effets lors de ces tests », ajoute Manfred Herrmann.

Dans un tout autre registre, les ingénieurs du centre de recherche ont prévu pour l’HydroGen3 une série d’essais de froid. L’entreprise est de taille. En effet, la réaction chimique dans la pile à combustible entraîne la formation d’eau, laquelle est utilisée pour humidifier les membranes. Or il s’agit d’empêcher cette eau de geler ou de la faire fondre rapidement en cas de démarrage à froid, d’où la nécessité de développer des solutions pas à pas et de les tester. On commence par des essais dans la chambre froide du centre de développement Opel, lors desquels la température est progressivement amenée à moins 20°. Par la suite auront lieu les essais routiers habituels aux abords du cercle polaire.

Essai sur flottes de véhicules : à partir du printemps 2003, tests au Japon et à Berlin

Les ingénieurs et scientifiques espèrent pouvoir tirer des conclusions supplémentaires de l’utilisation au quotidien des automobiles à piles à combustible. Depuis 2001, GM participe, entre autres avec un HydroGen1, à l’essai sur le terrain du « California Fuel Cell Partnership ». En 2003 démarreront d’autres essais sur flottes au Japon et en Allemagne. Dans le cadre du « Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Projects » (JHFC) de Tokyo et du « Clean Energy Partnership » (CEP) de Berlin, Opel et GM ainsi que d’autres constructeurs testeront leurs véhicules à piles à combustible au quotidien.

Étude « Well-to-wheel » pour l’Europe

Les résultats de cette étude de large envergure corroborent la stratégie de GM

À long terme, les sources d’énergie fossiles utilisées comme carburants pour les automobiles sont appelées à être remplacées. Il faut donc, sans attendre que les ressources naturelles soient épuisées, que des concepts de propulsion alternatifs assurent la mobilité individuelle. À cela s’ajoutent l’évolution de la situation en termes de trafic - les Nations-Unies estiment que, d’ici l’année 2030, le parc mondial de véhicules aura doublé, atteignant environ 1,6 milliard de voitures et de camions - et l’engagement des entreprises membres de l’Association des Constructeurs Automobiles Européens de ramener les émissions de CO2 à 140 grammes par kilomètre d’ici 2008, autant d’éléments qui incitent industriels et responsables politiques à réviser leurs conceptions.

Mais quelle alternative est la meilleure ? C’est sur cette question que se sont penchés Opel et General Motors (GM) lors d’une étude approfondie appelée « Well-to-wheel » (de la source à la roue) portant sur l’émission de gaz à effet de serre due à différents systèmes de propulsion et carburants. L’étude examine la chaîne complète dans les conditions européennes, depuis la production de carburant à partir des substances de base jusqu’à sa consommation réelle dans la voiture. Pour ce projet étalé sur plus d’un an, les experts GM dans les centres étasuniens et allemand (Mayence Kastel) avaient pour partenaires l’institut de recherche L-B-Systemtechnik GmbH (LBST) d’Ottobrunn près de Munich et les fournisseurs d’énergie bp, ExxonMobil, Shell et TotalFinaElf. Les résultats confirment que le groupe GM a choisi la bonne voie en misant sur la pile à combustible alimentée à l’hydrogène pour parvenir à une mobilité durable et exempte d’émissions. C’est pourquoi, de part et d’autre de l’Atlantique, ingénieurs et scientifiques dans les centres de recherche sur les piles à combustible travaillent d’arrache pied, dans le cadre des GM Fuel Cell Activities (GM FCA), à mettre au point cette technologie de propulsion prometteuse.

Le message central de l’analyse qui, pour la période concernée (vers 2010), a examiné au total 44 filières de carburants ainsi que 18 concepts de propulsion conventionnels et alternatifs est le suivant : ce sont les véhicules à piles à combustible utilisant l’hydrogène comme carburant qui obtiennent les meilleurs résultats. Le bilan environnemental est optimal lorsque l’hydrogène provient de sources d’énergie renouvelables, comme la biomasse, l’énergie éolienne ou solaire. Cette chaîne de processus n’entraîne aucune émission de substance nuisible ni de gaz à effet de serre.

On avait pris comme véhicule de référence pour cette étude le monospace compact Opel Zafira, du fait qu’il existe déjà avec propulsion à essence, diesel, à gaz et à piles à combustible (HydroGen3). Dans le cadre du travail de recherche, les experts ont testé les différentes ressources énergétiques : pétrole brut, gaz naturel, électricité - en provenance aussi bien de centrales classiques que de sources renouvelables - ainsi que la biomasse sous l’angle de leur potentiel en termes de gaz à effet de serre. Résultat : en considérant les émissions de gaz à effet de serre globalement, il s’avère que l’exploitation optimale du gaz naturel consiste à l’utiliser pour fabriquer de l’hydrogène destiné à faire fonctionner les piles à combustion. Dans une moindre mesure, l’emploi direct de gaz naturel dans le moteur à combustion s’avère positif par rapport aux moteurs à essence et diesel. Il est à noter toutefois que l’utilisation d’hydrogène issu de gaz naturel dans un moteur thermique ne comporte aucun avantage par rapport aux moteurs à essence et diesel. Il a été en outre mis en évidence que les véhicules à piles à combustible fonctionnant au méthanol n’étaient pas supérieurs aux moteurs à combustion diesel et à essence ni aux véhicules à piles à combustible pourvus de systèmes de reformage d’essence.

La meilleure méthode en termes d’écologie consiste à fabriquer de l’hydrogène à l’aide de courant produit par des sources renouvelables et à l’utiliser dans la pile à combustible. Forte de cinq caractéristiques convaincantes, cette variante se qualifie comme étant le système de propulsion de l’avenir :
 Pas d’émissions de substances nocives
 Pas d’émission de dioxyde de carbone
 Faible consommation d’énergie spécifique grâce au très haut degré de rendement
 Fonctionnement pratiquement silencieux de l’ensemble du système
 Grand potentiel d’évolution

« Tous ces points montrent bien que l’avenir appartient à la pile à combustible, notamment si des énergies renouvelables sont utilisées pour fabriquer l’hydrogène et si on dispose de l’infrastructure requise », résume Larry Burns, Vice-Président de GM pour la recherche, le développement et la planification. C’est essentiellement pour cette raison que GM se rallie à de nombreuses initiatives visant à construire l’économie de l’hydrogène, comme par exemple, la « Verkehrwirtschaftlichen Energie Strategie » (VES), le « Clean Energy Partnership » (CEP), le « California Fuel Cell Partnership » (CaFCP), le « Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project » (JHFC) et l’« European Integrated Hydrogen Project » (EIHP).

Pour que la technologie écologique des piles à combustible puisse percer sur le marché, il faut mettre en place certaines conditions de base. Cela implique selon le Dr. Erhard Schubert, Directeur du centre de recherche de Mayence Kastel, la création d’un réseau dense de stations service à hydrogène en Europe pour assurer la distribution de cette source d’énergie, la simplification des procédures d’autorisation pour les installations industrielles d’extraction d’énergie à partir de sources renouvelables (par exemple les parcs éoliens off-shore) ainsi que la standardisation des composants techniques et la simplification des procédures d’homologation. « La pile à combustible à hydrogène est la technologie clé pour une mobilité durable au XXIème siècle. L’étude « Well-to-wheel » nous a permis de vérifier cette assertion scientifiquement. Reste maintenant à créer les conditions techniques, politiques et sociétales nécessaires pour mettre les véhicules à piles à combustible sur le marché et les rendre attractifs aux yeux des clients », ajoute le Dr. Schubert.