L’hydrogène pour décarboner les océans
Le transport maritime assure près de 90 % des échanges commerciaux mondiaux. Mais il représente également environ 3 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, une part appelée à croître sans une transformation profonde des technologies de propulsion. Face aux nouvelles réglementations européennes, notamment FuelEU Maritime et l’intégration du secteur au marché européen du carbone, l’industrie doit désormais accélérer sa transition vers des solutions décarbonées.
Parmi les différentes pistes explorées, les piles à combustible alimentées par de l’hydrogène figurent parmi les plus prometteuses. Contrairement à un moteur thermique, elles produisent directement de l’électricité à partir de d’hydrogène et d’oxygène, sans combustion et avec pour seul sous-produit de l’eau. Cette technologie est déjà utilisée dans certains véhicules terrestres comme la voiture, mais la transposer au monde maritime suppose de changer complètement d’échelle.
C’est l’ambition du projet européen MARINER, coordonné par le Norwegian Research Center (NORCE) et financé par le programme Horizon Europe à hauteur de près de 7 millions d’euros. Son objectif est de développer un système modulaire de pile à combustible de 1 MW, capable d’être répliqué jusqu’à 10 MW pour alimenter des navires de plus en plus puissants. Le consortium réunit quatorze partenaires industriels et académiques internationaux couvrant toute la chaîne de valeur, depuis la conception des piles jusqu’à leur intégration à bord des navires.
Passer de l’échelle d’une voiture à celle d’un navire
A priori, il pourrait sembler suffisant d’assembler plusieurs piles à combustible existantes pour atteindre un mégawatt de puissance. En réalité, le changement d’échelle se confronte à des limites physiques. Les piles actuellement utilisées dans les applications industrielles délivrent quelques centaines de kilowatts. Passer au mégawatt ne consiste donc pas simplement à « additionner » des piles : certains phénomènes mécaniques, thermiques ou liés à la circulation des fluides prennent alors une importance nouvelle et obligent à repenser entièrement l’architecture du système.
Pour comprendre cette difficulté, il faut regarder comment fonctionne une pile à combustible. Son principe repose sur deux réactions mises en œuvre sur des électrodes situées de part et d’autre d’une membrane, au sein de cellules électrochimiques, éléments de base de la pile : une réaction d’oxydation de l’hydrogène (H2) d’une part, qui dissocie la molécule en protons et électrons et une réaction de réduction de l’oxygène (O2) d’autre part, qui réagit avec les protons et les électrons pour produire de l’eau. La membrane étanche aux gaz et isolant électronique ne laisse passer que les protons. Les électrons empruntent un circuit extérieur qui relie les deux électrodes : le courant électrique ainsi créé peut être utilisé pour alimenter les équipements, un moteur électrique par exemple.
Une seule cellule ne produit cependant qu’une faible tension (autour de 0.6 V en fonctionnement) et une intensité limitée par la surface des électrodes. Pour obtenir davantage de puissance, on empile plusieurs centaines de cellules les unes sur les autres, formant un « stack ». Mais plus le nombre de cellules augmente, plus les contraintes deviennent importantes, contraintes mécaniques notamment, liées à la variation d’épaisseur des membranes en cours de fonctionnement. Il devient également de plus en plus difficile de maintenir des conditions de fonctionnement homogènes dans l’ensemble du stack. Au-delà d’une certaine taille, ces contraintes finissent par limiter les performances et la durée de vie du système.
Le projet MARINER propose une architecture modulaire. Plutôt que de construire une unique pile géante d’un mégawatt, plusieurs modules d’environ 200 à 300 kW seront associés pour atteindre la puissance recherchée. Chacun de ces modules constitue un bloc de construction pouvant ensuite être reproduit afin de concevoir, à terme, des systèmes allant jusqu’à 10 MW. Cette approche permet à la fois de préserver les performances, de faciliter la maintenance et de rendre l’industrialisation de ces futures piles à combustible plus réaliste.
Un équilibre entre température, humidité et performances
Produire de l’électricité n’est qu’une partie du problème. Pour fonctionner correctement, une pile à combustible doit être maintenue dans des conditions très contrôlées. Un déséquilibre peut réduire ses performances, accélérer son vieillissement, voire l’endommager.
La première difficulté est liée à la température. La réaction globale dégage beaucoup de chaleur. Environ la moitié de l’énergie contenue dans l’hydrogène est transformée en électricité, tandis que l’autre moitié est libérée sous forme de chaleur. Or, les membranes utilisées ne supportent pas des températures trop élevées : au-delà d’environ 90 °C, elles se dégradent rapidement. Il est donc indispensable de faire circuler en permanence un fluide de refroidissement afin d’évacuer cette chaleur. Sur un navire, cette énergie thermique peut ensuite être récupérée, améliorant fortement le rendement global du système.
Mais la température n’est pas le seul paramètre à maîtriser, le taux d’humidification des gaz est aussi essentiel. Les membranes doivent en effet rester bien humidifiées. Si elles s’assèchent, elles ne laissent plus circuler correctement les protons, bloquant les réactions électrochimiques. À l’inverse, la présence d’eau, liquide dans les électrodes bloque la circulation de l’hydrogène et de l’oxygène, ce qui réduit les performances de la pile.
Le système doit donc en permanence trouver le bon équilibre entre de nombreux paramètres : pression des gaz, débit du circuit de refroidissement, température, humidité ou encore répartition de la puissance entre les différents modules. Tous ces réglages évoluent continuellement en fonction de la demande énergétique du navire et doivent être coordonnés avec une grande précision.
Les mathématiques copilotes de la pile à combustible
Une pile à combustible est un système dont les performances dépendent en permanence des conditions de fonctionnement : alimentation en hydrogène, humidité, conditions thermodynamiques… C’est sur cette orchestration complexe qu’interviennent les équipes du CAS. Grâce à des modèles numériques et à des stratégies de commande avancées, ils développent les outils capables de piloter ces piles à combustible en temps réel afin qu’elles restent performantes, sûres et durables.
Les chercheuses et chercheurs développent des jumeaux numériques reproduisant le comportement de la pile afin d’anticiper son vieillissement, d’optimiser son fonctionnement et de détecter les premiers signes de défaillance avant qu’ils ne deviennent critiques. Ces modèles servent également à estimer en temps réel des grandeurs internes impossibles à mesurer directement, telles que l’humidité de la membrane, un élément essentiel pour piloter efficacement la pile à combustible.
Le projet prévoit également le développement de nouvelles stratégies de commande permettant de répartir la puissance entre les différents modules de la pile. Si l’un d’eux commence à vieillir plus rapidement, le système pourra automatiquement adapter son fonctionnement afin de préserver l’ensemble de l’installation tout en garantissant la puissance demandée par le navire.
Cette supervision intelligente constitue l’une des innovations les plus importantes de MARINER. Elle permettra non seulement d’augmenter la durée de vie des équipements, mais aussi de réduire les coûts d’exploitation et de maintenance, deux conditions indispensables à l’adoption industrielle de cette technologie.
Penser la pile comme un système énergétique complet
La durée de vie d’une pile à combustible est difficile à estimer en conditions réelles de fonctionnement, puisque liée à plusieurs phénomènes de dégradation ayant lieu en parallèle, et dont l’intensité dépend fortement de la façon dont la pile à combustible est opérée (démarrages/arrêt, température de fonctionnement, niveaux de puissance…).
Ces phénomènes de dégradation deviennent significatifs et observables au bout de centaines d’heures de fonctionnement. Les comprendre demande des essais ciblés où des conditions opératoires extrêmes sont appliquées afin d’accélérer des phénomènes de dégradation spécifiques ou représentatifs d’un fonctionnement normal. Cependant, ces tests de vieillissement accélérés (Accelerated Stress Tests) sont très coûteux en temps et ressources.
L’utilisation de modèles numériques simples, calibrés sur les données expérimentales, obtenues en laboratoire sur des systèmes à échelle réduite (quelques kilowatts), permet d’extrapoler les phénomènes de dégradations observés expérimentalement, d’estimer la durée de vie des systèmes de forte puissance et de développer des stratégies de contrôle afin de prolonger cette durée de vie. Mais la prise en compte des différents phénomènes de dégradation dans des modèles numériques reste un champ de recherche actifs. Le Centre PERSEE participe au développement de ces modèles, avec notamment une plateforme open source pour la modélisation de piles à combustible PEMFC.
Dans le cadre du projet MARINER, les chercheurs du Centre PERSEE ont pour mission de caractériser en laboratoire la performance et la dégradation des piles à combustibles utilisées et de fournir des modèles numériques calibrés, afin d’aider le développement du système de 1 MW et la définition de conditions d’essais représentatives pour le système réel. Par ailleurs, les modèles numériques développées seront intégrés à des outils en source ouverte existants, et le Centre PERSEE développera une formation de deux jours sur la modélisation des piles à combustible, favorisant la dissémination des résultats et développements du projet.
Une recherche partenariale et transdisciplinaire au service de la transition
Avant de pouvoir équiper des navires commerciaux, le système développé par MARINER devra démontrer sa fiabilité dans des conditions proches de l’exploitation réelle. Le projet prévoit ainsi plus de 1 000 heures d’essais sur un démonstrateur de 1 MW, complétées par des protocoles de vieillissement accéléré permettant d’estimer son comportement sur l’équivalent de 40 000 heures de fonctionnement. Ces essais alimenteront les modèles numériques et les stratégies de pilotage et outils de maintenance prédictive développés par le CAS et le Centre PERSÉE.
Présenté lors du Mines Paris Research Day 2026, ce projet illustre la vocation de la recherche partenariale portée par Mines Paris – PSL : faire dialoguer une recherche fondamentale transdisciplinaire avec l’ingénierie et l’industrie, à l’échelle internationale, pour accélérer le transfert des innovations vers des applications concrètes. Organisé autour de quatre grands défis scientifiques et industriels, l’événement a réuni plus de 450 chercheurs, entreprises et partenaires institutionnels autour de plus de cinquante projets de recherche, démontrant le rôle de l’École dans l’accompagnement des grandes transitions contemporaines.
Avec MARINER, cette ambition prend la forme d’un défi aussi scientifique qu’industriel : transformer une technologie émergente en une solution suffisamment robuste, fiable et performante pour accompagner la décarbonation du transport maritime à grande échelle.
