Bus électriques : Etat de l’art et tendances technologiques

Présentation de BMa 

Brest Métropole aménagement (BMa) est une Société d’Economie Mixte (SEM) créée en mai 2006, suite à la décision du conseil communautaire de Brest Métropole Océane dans un but de répondre aux besoins de la collectivité en matière d’action locale. Elle est détenue par des actionnaires majoritairement publics mais aussi privés. Depuis 2017, BMa a été complétée par une Société Publique Locale (SPL) ajoutant ainsi les thèmes de l’énergie et du transport dans les champs de compétences de la société. Elle est détenue exclusivement par des actionnaires publiques et peut ainsi uniquement intervenir dans le territoire de ses actionnaires. De plus contrairement aux SEM, qui peuvent se positionner sur un marché concurrentiel, la SPL va travailler uniquement pour ses actionnaires. Cette structure se distingue uniquement financièrement et administrativement de la SEM, le personnel étant le même. L’équipe est composée de 24 personnes au 1er juin 2018, présentée grâce à l’organigramme cidessous. (Figure 1) Le conseil d’administration est quant à lui composé de 16 membres dont 9 représentent Brest Métropole (représentant ainsi 55% des financement).

BMa exerce principalement des missions de maitrise d’ouvrage pour le compte, le plus souvent, de la collectivité. Elle joue le rôle d’aménageur, de constructeur et de développeur local par le biais de trois méthodes différentes :
• Dans le cadre d’une concession d’aménagement : cette délégation de maîtrise d’ouvrage décharge le concessionnaire du portage financier du projet et confère à BMa la réalisation du projet entier, en cohérence avec la feuille de route fixée par le concessionnaire.
• Dans la cadre d’un mandat : la délégation effectuée par le mandataire ne le dessaisit pas autant de l’opération que pour une concession d’aménagement ; il peut rester garant des paiements, de la signature des contrats, de l’acquisition foncière …
• En tant qu’assistant à maitrise d’ouvrage (AMO) : il s’agit de fournir des prestations au maître d’ouvrage (études préalables, études opérationnelles, conduite d’opération…) .

Les bus à hydrogène

Par abus de langage on parlera d’hydrogène au lieu de dihydrogène.

Aujourd’hui, la production de l’hydrogène est en plein essor. Selon la filière française de l’hydrogène, 18% du parc de véhicule et 25% des bus devraient rouler avec cette énergie d’ici 2050. La France reste cependant en retard dans le développement du secteur de l’hydrogène. Aujourd’hui c’est le Japon qui domine ce nouveau marché avec un tiers de son parc de véhicules roulant à l’hydrogène. L’archipel souhaite devenir une « société de l’hydrogène » d’ici les Jeux olympiques de 2020. Cependant, bien que l’hydrogène soit l’élément le plus abondant dans la nature, il n’existe presque pas de source à hydrogène. On le trouve seulement combiné avec d’autres atomes, notamment l’oxygène sous forme d’eau (H2O) ou le carbone sous forme de méthane (CH4). Sa fabrication est très donc coûteuse en énergie. En effet, pour l’obtenir il faut le séparer d’autres éléments. Son rendement énergétique est faible (20-30%) puisqu’il nécessite une succession de transformations : électrolyse, compression du gaz (l’hydrogène est un gaz occupant beaucoup de volume), recomposition des molécules dans la pile à combustible par exemple. De plus, actuellement, 95% de l’hydrogène extrait provient d’énergie fossile (gaz, pétrole et charbon) et est acheminé sur de longues distances, émettant ainsi énormément de CO2. Pour 1 million de tonnes d’hydrogène produites, 13 millions de tonnes de CO2 sont envoyées dans l’atmosphère. Ce secteur représente en France environ 3% des émissions de CO2 annuel.

L’intérêt environnemental de l’hydrogène en tant que nouvelle ressource d’énergie est présente uniquement s’il est extrait de façon locale, à moins de cent kilomètres du centre de ravitaillement (préconise l’Ademe), et à partir de biomasse ou d’eau et d’énergie renouvelable. Dans ce cas-ci, l’émission de CO2 est nulle. La méthode la plus couramment utilisée, permettant d’obtenir de l’hydrogène vert, est l’électrolyse de l’eau (Figures 18 et 19). Ce procédé décompose l’eau en dioxygène et en dihydrogène gazeux à l’aide d’un courant électrique. Aujourd’hui ce processus est encore très coûteux mais son prix tend à décroître. En Europe, le kilogramme d’hydrogène vert coûte de 4 à 6 euros. L’hydrogène obtenu par la voie pétro chimique a un prix quant à lui de 4 à 5 euros le kilo. Le prix de l’hydrogène propre va dépendre du prix de l’électricité propre mais aussi de sa disponibilité. De plus, le prix du stockage de l’hydrogène est très important. En effet, il nécessite d’être mis sous pression très importante. Une station d’hydrogène coûte environ un million d’euros.

D’autres techniques existent comme la gazéification et la pyrolyse de la biomasse, la décomposition thermochimie ou photochimique de l’eau, ou encore par production biologique à partir d’algues ou de bactéries. De plus, l’hydrogène à une densité énergétique plus important que celle des hydrocarbures. En effet, un kilo d’hydrogène permet de produire trois fois plus d’énergie qu’un kilo d’essence. Etant un vecteur d’énergie il est aussi plus facile à stocker que l’électricité. Cependant, son risque d’inflation ou d’explosion est plus élevée qu’avec les autres carburants, et, du fait de sa très petite taille, le risque de fuite est quant à lui aussi plus important.

Fonctionnement général du bus à hydrogène
La motorisation du bus à hydrogène est électrique. Le fonctionnement du bus à hydrogène et du bus électrique est le même à l’exception du fait que dans un bus à hydrogène, les batteries sont remplacées par un réservoir à hydrogène et une pile à combustible. Une batterie est pourtant présente dans le bus à hydrogène. On l’appelle la batterie de régulation. Ceci est dû au fait que lors du freinage, le moteur électrique est capable de convertir l’excès d’énergie mécanique en énergie électrique (Figure 20).

La pile à hydrogène
La pile à hydrogène est une pile à combustible (Figure 21), c’est-à-dire un générateur électrochimique permettant de transformer l’énergie chimique du combustible (hydrogène) en énergie électrique. Elle est alimentée en continue par les réactifs (ici l’hydrogène et le dihydrogène).

Elle est composée de deux électrodes : l’anode (oxydante et collectrice d’électrons) et la cathode (réductrice et émettrice d’électrons). L’anode et la cathode sont séparés par un électrolyte. Celui-ci a la propriété de faire barrage aux électrons, les obligeant ainsi à passer par le circuit extérieur à la pile et générant ainsi un courant électrique. Cependant, il laisse traverser les ions. Un catalyseur, généralement du platine est utilisé pour accélérer la réaction. A l’anode, pôle négatif de la pile, du dihydrogène est injecté. Celui-ci se dissocie en protons et électrons selon la réaction : 2H2 = 4H+ + 4e- . A la cathode, pôle positif de la pile, du dioxygène est injecté. Celui-ci se dissocie en protons et électrons selon la réaction : : 4H+ + 4e- + O2 = 2H2O. Cette réaction d’oxydoréduction génère en plus de l’électricité de la chaleur et rejette de la vapeur d’eau. Bien que la construction de la pile à combustible nécessite pour l’instant des métaux rares comme le platine, dont les quantités actuelles ne sont pas suffisantes pour couvrir une production de masse, le fonctionnement de la pile à hydrogène est propre. Il ne libère pas de CO2 ni de particule mais uniquement de la vapeur d’eau. De plus, ces bus à hydrogène sont silencieux et les contraintes de maintenance sont presque inexistantes, elle concerne notamment la dégradation de la réserve à H2. Concernant les contraintes d’exploitation, celles-ci concernent l’aménagement des stations pour pouvoir créer de façon respectueuse de l’environnement et de conserver l’hydrogène.

Les principaux modèles de bus à hydrogène existants 

La technologie des bus à hydrogène est aujourd’hui moins mature que celle des bus électriques. En France, les premiers bus à hydrogène doivent être mis en circulation à Pau d’ici septembre 2019. Les municipalités faisant le choix de l’hydrogène ont comme argument principal la plus grande autonomie de ceux-ci comparés aux bus électriques composés de batterie. De ce fait, de l’hydrogène pourrait plus facilement être utilisé pour les bus interurbains, circulant sur de longue distance. La ville a commandé huit « Exquicity 78 » (Figure 22) d’une longueur de 18 mètres, construits par Van Hool. Ces bus seront capables de transporter environ 125 voyageurs par véhicule. L’autonomie est d’environ 300 kilomètres. Près de 13,5 millions d’euros ont été déboursés pour ces huit bus ainsi que les infrastructures. Les stations de H2 sont installées au dépôt. La ville de Artois-Gohelle a aussi fait le choix du BHNS à hydrogène, bus devant être mis en circulation d’ici janvier 2019.

La ville a commandé six bus « Businova » (Figure 23) de 12 mètres au constructeur SAFRA (PME Française, assemblant ses bus sur le site d’Albi). Ce bus pouvant transporter 100 à 108 passagers coûte 625 000 euros, soit environ 2,5 fois plus cher qu’un bus thermique. Sa durée de vie annoncée est de 15 à 20 ans. La pile à combustible de 30 kW assure un stockage de 28kg d’hydrogène à 350 bar et permet de couvrir une autonomie supérieure à 300 km.

Table des matières

Introduction
1- Présentation de BMa
2- Missions du stage
3- Benchmark sur les bus électriques – état de l’art et tendances technologiques
3.1 Contexte Brestois
3.2 Etat de l’art des bus électriques
a- Généralités
b- Mode de rechargement
c- Stockage de l’énergie
d- Le recyclage des batteries
e- Stratégie d’achat
f- Exemple d’aménagement sur une ligne suburbaine
3.3 Les bus à hydrogène
a- Fonctionnement général du bus à hydrogène
b- La pile à hydrogène
c- Les principaux modèles de bus à hydrogène existants
3.4 Comparaison bus électriques et bus hydrogène
4- Méthodes
5- Conclusion
6- Bibliographie et références relatif
7- Bilan du stage
8. Annexes

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