Le carburant de l'avenir : la production de piles à combustible
Publié le 10 mars 2022 dans Sustainable Manufacturing
Les entreprises ACES ont besoin de stratégies et de technologies de production intelligentes pour exploiter le potentiel de l'hydrogène.
Lorsqu’on parle de mobilité durable, la première idée qui vient à l'esprit est celle des voitures électriques à batterie. Les piles à combustible ou les brûleurs à hydrogène directs sont des technologies complémentaires qui sont souvent reléguées au second plan, bien qu’elles aient beaucoup à offrir en matière de réduction des émissions de CO₂ et d'options commerciales.
Les industries automobiles allemande et européenne s’accordent sur le sujet : dans une récente étude conduite par Expleo, 80 % des constructeurs automobiles interrogés considèrent les véhicules à hydrogène comme plus écologiques et plus propres que les voitures électriques. 64 % d’entre eux estiment que les premières voitures à hydrogène prêtes à être produites en série seront sur le marché dans les deux prochaines années.
Ce qu’il faut cependant, c’est un esprit plus novateur chez les constructeurs et les fournisseurs, un soutien politique ainsi que des investissements dans de meilleures infrastructures énergétiques. Autre point également très important : les entreprises de l'environnement ACES (l'acronyme pour conduite autonome, connectivité, électrification et mobilité partagée) ont besoin d'installations de production efficaces et pérennes, autrement dit d’une usine intelligente. Les lignes de production doivent être automatisées et numérisées, les processus manuels supprimés et les innovations approfondies.
Une production d'hydrogène véritablement durable grâce aux énergies renouvelables
La production moderne et automatisée de batteries et de piles à combustible, soutenue par la robotique, la technologie de capteur et l'IA, est au cœur des stratégies durables. La batterie est l'élément central des véhicules à hydrogène et des véhicules électriques « classiques », même si elle est beaucoup plus petite et construite différemment. Outre les e-véhicules et l'hydrogène, les e-carburants, les carburants synthétiques, devraient également être mentionnés lorsque l'on parle de véhicules durables. Toutefois, pour utiliser l'hydrogène de manière véritablement durable, le carburant H₂ doit être produit avec de l'électricité provenant de sources renouvelables (électrolyse), ce qui n'est pas encore entièrement réalisable en grandes quantités.
La méfiance de grandes entreprises automobiles vis à vis de l'hydrogène
Contrairement aux cellules de batterie, les piles à combustible ne dépendent pas de matières premières telles que le lithium ou le cobalt. Dans les piles à combustible, le matériau principal est le fer. Un autre avantage est que l'hydrogène, en tant que substance moléculaire, peut être facilement stocké, transporté et mis à disposition pour des applications. Les moteurs à hydrogène sont déjà intégrés à un nombre croissant de véhicules professionnels, tels que les bus urbains, notamment parce qu’ils offrent plus d'espace pour l'unité motrice requise. Les moteurs à hydrogène sont encore relativement rares dans les voitures « normales », ce qui s’explique en partie par le manque de stations-service H₂, mais également par la démarche hésitante de l'industrie.Augmentation de l'automatisation des processus d'électrolyse et de production de piles à combustible
Les véhicules à énergie nouvelle ou VEN, sont incontournables si nous comptons nous rapprocher des objectifs climatiques de Paris. L’hydrogène peut être produit à partir d'énergies renouvelables neutres en carbone et converti en énergie électrique dans des piles à combustible. Cependant, plusieurs défis devront être relevés concernant la production de ces piles à combustible pour en garantir l’efficacité et la précision. Sont concernés aussi bien la production des différents composants que l'assemblage des piles ou encore la fabrication de l'ensemble du système.
Le déploiement généralisé de la technologie d'électrolyse et des piles à combustible demande des innovations au niveau des produits et des processus afin de baisser les coûts de production et favoriser le déploiement de cette technologie. Il convient d’augmenter les volumes de production tout en maintenant des exigences de qualité uniformes. De plus, il est conseillé d'utiliser des lignes de production flexibles et évolutives, faciles et rapides à adapter aux besoins individuels. Des approches sont requises pour faire baisser les coûts de production des piles à combustible, puisque ce sera la seule manière de faire accepter cette technologie sur le long terme.
Connaissances sur les batteries au service de la production de piles à combustible
Contrairement à la production de cellules de batterie, où les processus ont déjà été automatisés depuis de nombreuses années et sont constamment en développement, la production de piles à combustible est encore à ses débuts. Cela est principalement dû au fait que les technologies à hydrogène n'ont pas encore l'application et le niveau d'adoption nécessaires pour augmenter la production. De nombreux flux de travail sont donc exécutés de manière semi-automatique ou même manuellement. Pour rendre les applications d'hydrogène plus attrayantes, une automatisation accrue de l'industrie est nécessaire et urgente. Étant donné que la fabrication des batteries et celle des piles à combustible sont similaires à bien des égards, il est conseillé de compter ici sur un partenaire familiarisé avec la fabrication automatisée de cellules de batterie. En plus de la technologie et du savoir-faire, les intégrateurs de systèmes et les constructeurs de machines sont également nécessaires pour faire progresser ce sujet. L'empilement est un processus particulièrement critique dans la production de batteries et de piles à combustible, qui peut entraîner des erreurs, telles que des fuites.Usine du futur : processus de production modernisés, technologie innovante
Les procédures et technologies de l'usine intelligente (production du futur) sont les pierres angulaires d’une production de piles à combustible tournée vers l'avenir ainsi que de la promotion de la mobilité durable. Elles permettent une modernisation complète de la production et la rationalisation des chaînes logistiques à partir de la base, parallèlement à l'expansion et à la conversion vers de nouvelles technologies de motorisation. Cette usine du futur compte de nombreux exemples d'innovation, notamment la robotique industrielle innovante, les robots mobiles et cobots, l’informatique à la périphérie, la technologie de capteurs ou bien encore l’association de la mécatronique, de l’informatique et de la réalité augmentée (RA).
La clé du succès réside dans l'atteinte du plus haut degré de numérisation possible, afin d’aboutir à une optimisation autonome du processus de fabrication. Toutefois, la traçabilité est elle aussi essentielle, l’idéal étant de pouvoir tracer chaque couche d'une pile à combustible afin de déterminer l’endroit où un dysfonctionnement a eu lieu.
L'intelligence artificielle (IA) est un autre pilier de ce succès, car elle peut servir à augmenter le potentiel de chaînes de production très complexes. Utilisée correctement, l'IA peut aider les chefs d'entreprise du secteur automobile à mieux comprendre leurs processus. Les informations recueillies par ce biais et les technologies basées sur des capteurs permettent d'obtenir de nouvelles informations pour optimiser les processus à l'intérieur et à l'extérieur de l'entreprise. La maintenance prédictive en est un exemple : elle peut être utilisée pour détecter des modèles d'usure, les particularités et les anomalies, et ainsi éviter les pannes, les temps d'arrêt et les erreurs des machines. Une attention particulière doit également être portée aux processus intralogistiques transparents et flexibles, clé d'une chaîne logistique transparente.
