Grâce à un consortium de laboratoires nationaux du Département de l’Énergie, les scientifiques du Laboratoire national d’Oak Ridge appliquent leur expertise pour fournir des solutions permettant la commercialisation de la technologie des piles à hydrogène sans émission pour les véhicules lourds, ou HDV.
En tant qu’alternative viable aux moteurs à combustion interne fonctionnant à l’essence, les piles à hydrogène peuvent fournir une énergie durable et propre avec une expérience utilisateur comparable.
«L’adoption de la technologie de l’hydrogène sur le marché du HDV pourrait s’avérer être la percée du lancement d’une utilisation généralisée», a déclaré David Cullen, d’ORNL, un scientifique du Center for Nanophase Materials Sciences qui étudie les catalyseurs de piles à combustible et les structures d’électrodes à l’aide de la microscopie et de la spectroscopie avancées. «Les piles à combustible à hydrogène sont idéales pour l’industrie du camionnage car le temps de ravitaillement et l’autonomie sont comparables à ceux des camions à essence et les itinéraires sont prévisibles, ce qui abaisse la barrière pour le développement d’une infrastructure de ravitaillement en carburant.»
Les véhicules lourds contribuent à 23% des émissions de gaz à effet de serre des transports et représentent près d’un quart du carburant consommé annuellement aux États-Unis. Crédit: Chris Bair / Unsplash
Les piles à hydrogène contiennent une quantité d’énergie par unité de masse plus élevée qu’une batterie au lithium ou un carburant diesel. Un camion peut avoir une plus grande quantité d’énergie disponible sans augmenter considérablement le poids – une considération importante pour les camions long-courriers qui ont des politiques de pénalité de poids.
En octobre 2020, le DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, ou HFTO, a lancé le Million Mile Fuel Cell Truck Consortium, ou M2FCT, pour soutenir les opportunités d’adoption des piles à combustible sur le marché du HDV grâce à la recherche et au développement et pour s’aligner sur le DOE. [email protected] vision pour l’hydrogène propre et abordable dans plusieurs secteurs de l’économie. M2FCT, composé de cinq laboratoires nationaux, s’efforce de répondre aux exigences d’efficacité, de durabilité et de coût de l’industrie du camionnage. Avec 50 millions de dollars financés par HFTO sur cinq ans, l’équipe s’est fixé pour objectif 2030 de démontrer des systèmes qui ont une durée de vie de 25 000 heures, ou 1 million de milles, pour les camions long-courriers.
«La transition vers les véhicules lourds à pile à hydrogène aurait un impact significatif sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre», a déclaré Ahmet Kusoglu, scientifique du Laboratoire national de Lawrence Berkeley. Kusoglu note que les véhicules utilitaires lourds représentent une petite fraction du parc de véhicules aux États-Unis et ne parcourent que 10% du total annuel des véhicules-milles parcourus. Mais, selon l’Environmental Protection Agency, ils contribuent à 23% des émissions de gaz à effet de serre des transports et représentent près d’un quart du carburant consommé annuellement aux États-Unis.
L’équipe M2FCT a décrit l’état actuel et futur de la technologie et a relevé les défis de l’adoption à grande échelle par l’industrie des véhicules lourds, y compris les camions, les bus, les trains et les applications marines, en une récente Énergie de la nature article de revue. Cullen, responsable de la coordination pour M2FCT, est le premier auteur de l’article; Les co-auteurs comprennent Karren More de l’ORNL et des scientifiques membres du M2FCT du Lawrence Berkeley National Laboratory, du Los Alamos National Laboratory, du National Renewable Energy Laboratory et du Argonne National Laboratory.
«Il y a quatre piliers dans ce consortium: le développement des matériaux, l’intégration des composants, la durabilité des composants et des piles à combustible et l’analyse des systèmes», a déclaré Cullen. «Mais ils s’entremêlent et se nourrissent les uns des autres. ORNL travaille dans tous ces domaines à travers notre travail de caractérisation.
More, qui dirige le Center for Nanophase Materials Sciences de l’ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a déclaré que l’ORNL appliquera ses capacités et son expertise uniques dans les analyses microstructurales et microchimiques des matériaux et des composants des piles à combustible afin de mieux comprendre les problèmes de performance et de durabilité des piles à combustible. macroscopique jusqu’au niveau atomique.
«Nous continuons à développer de nouvelles méthodes de caractérisation et d’analyse de données pour fournir un aperçu du comportement des matériaux de piles à combustible utilisés dans les applications lourdes», a-t-elle déclaré. «ORNL fournit des moyens innovants pour interroger la structure, la chimie et les propriétés des matériaux, de sorte que les problèmes de performance et de durabilité puissent être compris et résolus afin de développer de nouveaux matériaux aux propriétés optimisées.»
ORNL apporte également son expertise de fabrication roll-to-roll, qui sera étroitement coordonnée avec NREL, afin de déterminer comment mettre à l’échelle les processus de fabrication de l’assemblage de la membrane-électrode. Cullen a déclaré que l’équipe se concentrera sur le développement de nouvelles structures d’électrodes qui peuvent être réalisées en utilisant un processus rouleau à rouleau plutôt que des processus conventionnels de revêtement par pulvérisation ou de dépôt d’encre.
M2FCT représente un changement de direction après la conclusion du consortium Performance et durabilité des piles à combustible, ou FC-PAD, qui s’est concentré sur les piles à combustible pour véhicules légers.
Fin 2019, le HFTO du DOE, en collaboration avec le Vehicle Technologies Office, a publié objectifs techniques pour les camions semi-remorques long-courriers alimentés à l’hydrogène, également appelés camions long-courriers de classe 8. Ces objectifs ont déclenché les travaux dans lesquels les chercheurs du M2FCT se lancent désormais en guidant la R&D en phase de démarrage. L’étude récemment publiée par M2FCT utilise des camions long-courriers de classe 8 comme étude de cas pour montrer comment différentes caractéristiques de conception ont un impact sur l’efficacité et la durabilité, ainsi que sur la manière dont les progrès réalisés pour les véhicules légers peuvent être mis à profit pour répondre aux exigences des véhicules lourds. .
Les piles à hydrogène produisent de l’électricité grâce à une réaction électrochimique entre l’hydrogène et l’oxygène, qui se combinent pour produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau. Une pile à combustible peut générer environ 300 watts de puissance; pour générer suffisamment d’énergie pour faire fonctionner le moteur électrique d’une voiture, les piles à combustible doivent être combinées en une pile à combustible.
Pour atteindre les objectifs du DOE pour les camions semi-remorques long-courriers alimentés à l’hydrogène, les chercheurs de M2FCT ont identifié les principales différences entre la conception de piles à hydrogène pour les véhicules légers et les véhicules lourds. Les défis, selon la chimiste de l’ANL Deborah Myers, sont que «les véhicules lourds nécessitent une tension de cellule plus élevée pour atteindre une efficacité optimale en plus d’une durée de vie requise trois à cinq fois plus longue que les véhicules légers, ce qui impose une plus grande demande au les performances et la durabilité des matériaux des piles à combustible. » Les solutions à cela incluent la recherche sur les matériaux qui explore comment les matériaux existants des composants de piles à combustible fonctionnent et se dégradent sous différents niveaux de température et d’humidité et à des tensions de cellule plus élevées, et le développement qui examine comment l’intégration de nouveaux matériaux peut relever ces défis.
Le consortium M2FCT rassemble différents domaines d’expertise liés à l’efficacité et à la durabilité des piles à combustible et communique avec les développeurs industriels. Alors que l’équipe se concentre initialement sur les camions semi-remorques long-courriers alimentés à l’hydrogène, les chercheurs de M2FCT sont également optimistes quant à l’adoption potentielle des piles à hydrogène dans d’autres applications lourdes plus exigeantes, notamment les trains, les transports maritimes et même l’aviation.
«L’hydrogène est un vecteur d’énergie polyvalent, qui est encapsulé dans le [email protected] concept. Vous pouvez stocker de l’énergie dans des liaisons hydrogène, ce qui est particulièrement intéressant pour le stockage d’énergie à long terme ou saisonnier. Vous pouvez l’utiliser dans un camion ou dans des secteurs industriels, mais vous pouvez également le reconvertir en électricité pour le mettre dans le réseau », a déclaré Cullen. «Nous constatons un intérêt croissant pour l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie, et pas seulement pour les véhicules.»
UT-Battelle gère le laboratoire national d’Oak Ridge pour le bureau des sciences du DOE, le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. Le Bureau des sciences du DOE s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre temps. Pour plus d’informations, visitez energy.gov/science.
La source: ORNL
