La question de savoir quel vecteur énergétique se substituera à celui du pétrole quand il aura disparu, ou du moins qu'il sera véritablement devenue inaccessible, est de plus en plus à l'ordre du jour. L'énergie solaire ou les éoliennes pour l'instant ne sont pas satisfaisants. La solution serait elle la pile à combustible? D'où la problématique suivante : « Quel avenir pour la pile à combustible ? »
Ce fut Sir Humphry Davy qui mis le premier sur la voie des piles à combustible en réalisant l'électrolyse de l'eau distillée en 1806. En 1838, Christian Friedrich Schoenbein découvre, en réalisant cette même expérience, que lors de la coupure électrique se produit un courant de sens inverse au premier. Mais c'est finalement Sir William Grove qui réalisa la première pile à combustible, non sans l'aide de Schoenbein.
Cependant cette technologie sombra quelque peu dans l'oubli, le rendement trop faible ne permettait pas de concurrencer les piles électriques et machines thermiques dont avait besoin la révolution industrielle... Néanmoins, quelques chercheurs apportèrent des améliorations à l'expérience de Grove : en 1889, L. Mond et C. Langer introduisirent les catalyseurs (platine) et perfectionnèrent l'électrolyte, au début du siècle, l'électrolyte est amélioré : introduction de nouveaux matériaux comme les carbonates fondus, les oxydes solides, l' acide phosphorique qui seront la base des différents types de piles d'aujourd'hui.
Un pas essentiel est franchi par Francis T. Bacon en 1953 avec la fabrication d'une pile à hydrogène-oxygène fonctionnant à haute pression. Cette pile équipera les modules spatiaux Gemini en 1963 et Apollo en 1968, elle est d'ailleurs toujours utilisée dans les navettes spatiales de la NASA. L'US Navy équipa également ses sous-marins de ces piles supportant très bien les grandes profondeurs. Le plus apporté par ces piles est la possibilité pour l'équipage de pouvoir consommer l'eau produite par la pile à l'issu de la réaction chimique. Dans les années 1960 apparaissent aussi les premiers prototypes de voitures pourvues de piles à combustibles.
En 1973, date des premiers chocs pétroliers, la pile à combustible devient un véritable enjeu. Etats-Unis, Europe, Japon prennent conscience de l'importance d'une énergie simple et peu coûteuse. La course au développement est lancée. Des améliorations sont encore apportés avec l'apparition de membranes Nafion tenant lieu d'électrolyte et dans les années 70-80 les premières installations fixes font leur entrée.
Alors que les Etats-Unis subventionnent les recherches en cours à coup de milliards de dollars, l'Europe est à la traîne (exceptée l'Allemagne). En effet, La France a interrompue les recherches depuis les années 80 car les piles étaient trop coûteuses et trop volumineuses. Les progrès technologiques effectués depuis par les autres pays ont tout de même relancé il y a peu la recherches sur le sujet en France. Mais pas de doute, notre pays est en retard. Le Japon a suivi l'exemple des USA et dispose même d'une installation stationnaire de 11MW.
De plus en plus, les puissances occidentales se tournent vers la pile à combustible pour palier à leur besoin toujours croissant en énergie. Longtemps boudées, elles s'avèrent maintenant nécessaires tant sur le plan environnemental que productif.
Comme les piles traditionnelles (piles aux Zinc Zn), le principe des piles à combustible est de transformer de l'énergie chimique en énergie électrique à la seule différence près que la pile à combustible est fournie en combustible de manière continue, et le rendement ne dépend pas du cycle de Carnot.
Question : Comment une pile à combustible transforme-t-elle de l'énergie chimique en énergie électrique ?
Une pile à combustible convertit l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction. Dans la pile il y a deux électrodes :
H2 → 2H+ +2 e-
O2 + 4H+ +4e- → 2H2O
Les deux électrodes sont séparées par un électrolyte qui assure la diffusion des protons H+ de la réaction d'oxydation du dihydrogène. C'est une étape intermédiaire à la réaction d'oxydoréduction. L'électrolyte dépend du type de pile : KOH pour les piles du type AFC, membrane échangeuse de protons pour les piles du type PEMFC ou DMFC, acide phosphorique pour les piles du type PAFC, carbonate fondu pour les piles du type MCFC et oxydes solides pour les piles du type SOFC.
Au niveau des électrodes, les réactions d'oxydoréduction ont normalement une cinétique très lente qui dépend de l'état de la surface des électrodes et de la facilité avec laquelle les réactions se réalisent. Par exemple pour que le dihydrogène s'oxyde, il faut la présence d'un catalyseur qui permet l'accélération de la réaction en facilitant les échanges électroniques. Ce phénomène se présente aussi pour la réduction du dioxygène. Le catalyseur dépend de la réaction et du niveau de la température de la réaction.
Au niveau de l'anode on utilise comme catalyseur des métaux précieux comme du platine Pt, rhodium Rh, ruthénium Ru, du palladium Pd ou du Nickel de Raney pour les piles de basse et moyenne température et des métaux moins chers tels que le fer Fe, le nickel Ni ou le Cobalt pour les piles de haute température.
Au niveau de la cathode, on utilise des métaux précieux comme du chrome Cr ou du nickel Ni ou du charbon actif avec de l'or Au ou de l'argent pour les piles de basse et moyenne température et du nickel fritté ou des oxydes mixtes pour les piles de haute température.
Accolées à l'anode et la cathode, il y a des plaques bipolaires qui jouent plusieurs rôles importants dans la pile à combustible. Tout d'abord elles doivent être conductrices du courant, permettre une diffusion homogène des gaz jusqu'aux électrodes mais aussi intervenir dans la gestion de l'eau (pour les piles de type PEMFC).
Ce sont les plaques bipolaires qui permettent le passage des électrons de l'anode vers la cathode.
Au niveau de la cathode, les molécules de dioxygène sont réduites par les électrons qui arrivent et l'équation de cette réaction est :
O2 +2 e- → 2O2-
Et l'arrivée des protons H+ produit une réaction acido-basique d'équation :
O2- + 2H+ → H2O
Ainsi on peu dire qu'en sus de produire de l'énergie électrique, la pile à combustible ne produit que de l'eau !
Réponse : Après une réduction du dihydrogène, les protons H+ passent par l'électrolyte et les électrons e- passent eux par les plaques bipolaires et c'est lors de ce passage des électrons e- que l'on peut récupérer une énergie électrique et alimenter un ou plusieurs récepteur(s).
On dénombre actuellement 6 différents types de pile à combustible :
Néanmoins, deux types seulement se détachent de par leur potentiels technique et économique : les piles à membrane échangeuses de protons fonctionnant à basse température (PEMFC) et les piles à oxyde solide fonctionnant à haute température (SOFC).
Comme bien souvent, un tableau s'avère bien plus efficace qu'un long discours ennuyeux !
Type de pile | PEMFC | AFC | DMFC | PAFC | MCFC | SOFC |
---|---|---|---|---|---|---|
Nom | Polymer Exchange Membran Fuel Cell | Alkalin Fuel Cell | Direct Methanol Fuel Cell | Phosphoric Acid Fuel Cell | Molten Carbonate Fuel Cell | Solid Oxyd Fuel Cell |
Electrolyte | Membrane Polymère conductrice de protons | Solution de KOH | Membrane Polymère conductrice de protons | Acide Phosphorique | LiCO3 et KCO3 fondu dans une matrice LiAlO2 | ZrO2 et Y2O3 |
Ions dans l'électrolyte | H+ | OH- | H+ | H+ | CO32- | O2- |
Niveau de température | 60 à 100℃ | 60 à 80℃ | 60 à 100℃ | 180 à 220℃ | 600 à 660℃ | 700 à 1000℃ |
Combustible | H2 (pur ou reformé) | H2 | Méthanol | H2 (pur ou reformé) | H2 (pur ou reformé) | H2 (pur ou reformé) |
Oxydants | Air | O2 (pur) | Air | Air | Air | Air |
Domaines d'application | Automobiles, Portable, Cogénération, Maritime | Spatial | Portable | Cogénération | Cogénération, Production Centralisée d'électricité | Cogénération, Production Centralisée d'électricité, Automobiles |
Niveau de développement | Prototypes | Utilisé | Prototypes | Technologie mûre | Prototypes | Prototypes |
Pour permettre à une PAC de fonctionner et de remplir son rôle, les PACs requièrent que l'on ait conçu un système mettant les différents composants et sous-systèmes en relation. C'est-à-dire qu'il faut élaborer un dispositif qui puisse acheminer le combustible vers le cœur de la pile (qui va transformer l'énergie électrochimique stockée dans le combustible en énergie électrique) dans lequel la réaction entre les réactifs se produit, et ensuite d'exploiter le plus efficacement possible l'énergie produite par cette réaction (le rendement d'une pile à combustible varie selon le type de pile et peut être supérieur à 50%. Par comparaison celui d'un moteur à combustion interne est en moyenne de 15%), la traiter et l'acheminer vers la « sortie », où l'on puisse la récupérer pour un usage quelconque nécessitant de l'électricité.
C'est pour cela que de nombreuses recherches s'orientent vers :
Pour ce faire, on distingue plusieurs parties vitales à optimiser :
Par exemple, Millenium Cell a breveté son système de stockage de l'hydrogène, baptisé système Hydrogen on Demand ™;
On peut voir dans l'hydrogène une source d'énergie inépuisable et propre. En effet, l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers ! Néanmoins, bien qu'il soit très présent sur Terre, il n'existe pas en tant que tel : on le trouve en fait principalement dans les molécules d'eau. Il est également présent dans toutes les matières organiques, pour l'instant il est principalement extrait que des carburants fossiles (Hydrocarbures). Il existe néanmoins d'autre moyens de production :
Il apparaît donc que ces algues semblent être la clé du problème. Néanmoins cette découverte est apparemment récente et on ne peut vraiment connaître son efficacité.
Des progrès sont à faire dans le domaine du stockage de l'hydrogène. A l'heure actuelle, l'hydrogène est principalement distribué sous forme liquéfiée (-253℃) et comprimée.
Il y a différentes formes de stockage :
Le stockage s'effectue à haute pression avec apport de chaleur. La pression de dissociation est fonction de la température : pour des températures entre 0 et 100℃, les pressions se situent entre 2 et 10 bars, mais elles atteignent 30 à 50 bars avec des températures plus élevées. Le destockage a lieu à basse pression avec évacuation de chaleur. Les difficultés liées au stockage de l'hydrogène reste un des principaux freins au développement de la pile à combustible.
Les applications de la pile à combustible sont multiples. On la retrouve principalement dans trois domaines :
Divers constructeurs ont actuellement des programmes de recherche et développement qui contribuent à l'élaboration de technologies utilisant pour énergie celle apportée par une pile à combustible. Ainsi, le projet Necar5 constitue à l'heure actuelle une des applications automobiles les plus avancées car elle conserve des performances, une autonomie et une ergonomie comparables à celles des voitures à moteur classique. Elle utilise pour carburant le méthanol et a été commercialisée l'année dernière. De nombreux autres constructeurs développent également des voitures équipé de PAC : par exemple, Ford et sa Ford FCV, General Motors et ses prototypes GM, Honda et sa FCX-V4 et même le constructeur français Peugeot prévoit d'adapter une pile PEMFC sur sa Peugeot Partner.
Mais il existe également des véhicules lourds, comme par exemple des bus, roulant à l'aide d'une pile à combustible. Le premier prototype de bus crée par Daimler-Benz en 1997 fut commercialisé peu de temps après et équipe désormais des villes européennes comme Oslo (Norvège), Strasbourg ou bien des villes des Etats Unis comme Las Vegas. Leurs grand avantage est leur silence de fonctionnement et le respect de l'environnement, ce qui est fort appréciable à l'heure actuelle.
On retrouve également la pac dans des prototypes (certains sont utilisés, d'autres non) de bateaux (Duffy), de sous-marins (U 31) et même d'avions (Boing).
les PACs peuvent constituer d'excellentes sources d'énergies délocalisées. On retrouve ainsi des adaptations faites à des centrales de cogénération, pour l'approvisionnement d'électricité, à la génération de vapeur ou de froid etc. Les applications correspondent en fait à la demande du marché, selon :
Ce domaine commença d'être exploré très récemment : par exemple en France, c'est seulement en 2000 que EDF a conçu un premier modèle de pile à combustible stationnaire pour alimenter un groupe HLM à Chelles (en Seine-et-Marne), qui fournit électricité et chauffage. Pour le domaine domestique, les PACs peuvent engendrer une économie importante car elle ne présente pas de problèmes d'acheminement de l'électricité et la production de l'énergie n'est pas dépendante des conditions météorologiques.
Les PACs peut également être utilisée dans le cadre de l'industrie, notamment par les petites et moyennes entreprises. La vapeur et l'eau chaude produites par les piles peuvent être utilisées pour faire fonctionner certaines machines industrielles. Les piles utilisées sont ici de type SOFC.
Les appareils de type téléphone portable, baladeur mp3, ordinateur portable, caméscope, PDA etc. connaissent une forte croissance de leurs ventes. Néanmoins, leurs batteries possèdent à l'heure actuelle une autonomie assez limitée et les piles usagées ne sont pas des plus écologiques... Là encore, la pile à combustible peut tirer son épingle du jeu. En effet, elle permettrait une autonomie de 3 à fois supérieure (et peut être même plus!) par rapport aux piles actuelles.
Ainsi, de très nombreux prototypes de PAC pour baladeurs ou portables (généralement de type PEMFC) ont vu le jour. Récemment, Ballard a développé un système de PAC pour ordinateur portable permettant d'atteindre 20 heures d'autonomie! Pour l'instant, ces prototypes ne sont pas encore assez aboutis (à cause de leurs dimensions notamment) pour êtres commercialisés, mais il ne fait aucun doute que cela se fera dans un futur proche.
A l'heure où le prix du baril de pétrole ne cesse d'augmenter se situant actuellement aux alentours des 50 à 60 dollars, on cherche actuellement à considérer des vecteurs énergétiques alternatifs. C'est ainsi que l'on en est venu à penser à la pile à combustible et plus particulièrement celle à hydrogène et celle au méthanol. Cette « vieille technologie d'avenir », Jules Verne l'évoque déjà dans L'île Mystérieuse, paru en 1874
Qu'est-ce que l'on brûlera à la place du charbon si celui-ci venait à manquer ? De l'eau répondit Pencroft. L'eau, décomposée en ses éléments par l'électricité. Oui mes amis, je crois que l'eau sera un jour employée comme combustible, que l'hydrogène et l'oxygène qui la constituent, utilisés isolément où simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables. L'eau est le charbon de l'avenir.
La pile à combustible n'a pas que des avantages en particulier du point de vue économique. En effet, le prix d'une pile à combustible est à l'heure actuelle le plus grand inconvénient de cette technologie. Cela s'explique notamment par le coût de ses matériaux :
De plus, un m3 de méthane (gaz naturel) libère une énergie de 9,89 kWh (35,6 MJ) en brûlant, alors qu'un m3 d'hydrogène ne libère que 3 kWh (environ 10 MJ). Par conséquent, la dépense en transport sera donc au moins 3 fois plus importante, en proportion de l'énergie restituée, pour l'hydrogène que pour le méthane, ce dernier étant déjà plus cher en terme de transport que le pétrole.
Bien sûr la pile à combustible ne présente pas que des inconvénients. Tout d'abord, une transition vers la pile à combustible engendrerait de profonds bouleversements. Il faudra renouveler les structures actuelles et la manne financière que représenterait par exemple un renouvellement total du parc automobile est considérable. Ainsi certains états comme les Etats Unis, le Canada ou encore le Japon investissent massivement dans ce domaine. L'Europe quant à elle est plus timide en la matière et la France (comme nous l'a expliqué la personne du LET) ne vient de se lancer réellement que depuis cette année... Toutefois, les progrès et investissements sont surtout issus du secteur privé. En effet, si cette technologie s'impose, les entreprises qui seront le mieux implantées auront un poids considérable dans le futur.
Les industriels se livrent donc une concurrence acharnée. Actuellement, l'action du secteur privé est dominée par l'entreprise Ballard, établie à Vancouver. Cette société créée en 1979 a ouvert son capital à Daimler Chrysler et à Ford. L'entreprise est à l'heure actuelle en quelque sorte le centre du monde de la pile à combustible.
Le secteur privé est véritablement très dynamique, des centaines voire des milliers d'entreprises existent alors que cette technologie n'en est qu'à ses balbutiements. Ainsi, aux Etats-Unis le privé dépense aux environs de 200 millions de dollars par an pour la recherche concernant les piles à combustible. Ceci est à mettre en parallèle avec le financement public de la recherche & développement pour ce domaine qui est de l'ordre d'environ 100 millions de dollars par an.
En conclusion, on retiendra que bien qu'il reste beaucoup de chemin à parcourir pour la pac du point de vue économique, même si les progrès effectués sont considérables depuis une vingtaine d'années. De plus, ce secteur est déjà vecteur d'espoir car bien qu'il soit relativement jeune et surtout peu développé, une multitude d'entreprises existent grâce à la pile à combustible. En outre, si cette dernière venait à se répandre, les changements seront tels que l'économie sera radicalement différente. Enfin, nous pensons que si la France peut clairement avoir sa place dans cette nouvelle économie de la pile à combustible car comme on dit : En France, on a pas de pétrole, mais on a des idées !
A l'heure actuelle nous utilisons des sources polluantes pour produire de l'énergie électrique tel que des hydrocarbures, des plies (par exemple au lithium ou au zinc Zn) ou même de l'uranium. La pollution se trouve sous forme :
Actuellement, la pile à combustible est sûrement le meilleur moyen de produire de l'énergie électrique sans pour autant trop polluer.
L'hydrogène présente de nombreux avantages :
Mais l'hydrogène présente aussi des désavantages :
Emissions | CO2 | NO2 | HC | CO | SO2 |
---|---|---|---|---|---|
hydrogène issu de gaz naturel | 99 | 0.04 | 0.11 | 0.02 | 0.03 |
hydrogène issu de naphta | 140 | 0.17 | 0.21 | 0.03 | 0.18 |
hydrogène issu de charbon | 209 | n.d | n.d | n.d | n.d |
hydrogène issu de l'électrolyse | 42 | 0.1 | 0.02 | 0.0085 | 0.16 |
Emissions | CO2 | NO2 | HC | CO | SO2 |
---|---|---|---|---|---|
hydrogène issu de gaz naturel | 158 | 0.1 | 0.166 | 0.037 | 0.09 |
hydrogène issu de naphta | 232 | 0.29 | 0.335 | 0.05 | 0.31 |
hydrogène issu de charbon | 343 | n.d | n.d | n.d | n.d |
hydrogène issu de l'électrolyse | 66 | 0.164 | 0.027 | 0.02 | 0.246 |
Bien que le reformage de produit tel les gaz naturels, le naphta, le charbon ou l'électrolyse de l'eau en dihydrogène soit plutôt polluant le système de la pile à combustible et les gaz qu'elle dégage (de la vapeur d'eau H2O) permet de dire que la pile à combustible est une source d'électricité très peu polluante ce qui lui assure un avenir aussi prometteur que le pétrole actuellement, voir même plus.... Mais en même temps la pile à combustible se veut être non polluante en ne produisant et ne rejetant que de la vapeur d'eau. Mais à une très grande échelle est-ce que le rejet d'une quantité énorme de vapeur dans l'environnement peu engendrer un changement fatal de cet environnement et donc le polluer ? Car en fait l'eau est une pollution même si ce n'est pas un pollution très dangereuse pour l'homme, elle peu engendrer des catastrophes !
Depuis les années 60, la pile à combustible est en plein essor. Mais toutes ses qualités ne sont pas encore exploitées à cent pour cent et c'est ce qui reste l'un de ses plus grands problèmes.
Bien que les progrès effectués depuis une vingtaine d'année sont considérables, le chemin à parcourir reste encore long et parsemé d'embûches. Mais même si des barrages semblent se planter entre nous et la réussite de la pile à combustible, on peut placer beaucoup d'espoir dans cette réussite car celle-ci est dans une bonne voie.
Comme on peut le voir dans le chapitre III, la pile à combustible et déjà très utilisée dans des domaines comme l'aérospatiale et les moyens de transport (bus, voiture). C'est dans ces domaines que la pile à combustible est la mieux développée. Actuellement, d'autres domaines d'application de la pile à combustible comme le domaine du portable ou « de poche » dans lequel elle à un grand avenir mais aussi, le domaine du mobile ou de « chez soi » et le domaine de l'automobile sont encore en développement. Dans le chapitre IV, on peut voir que la pile à combustible est déjà pas mal implantée dans les industries actuelles et que si elle venait à mieux se développer elle changerait l'économie mondiale. Du point de vue économique la pile à combustible sera sûrement dans quelque année la source d'énergie électrique la plus rentable, ce qu'il lui assure à priori un avenir confortable...
Enfin du point de vue environnemental la pile à combustible présente l'avantage de ne rejeter que de l'eau et donc de ne pas être « polluante ». Cette perspective laisse penser que la pile à combustible à un avenir devant elle mais elle à aussi un grand problème. Le reformage de produits en dihydrogène (H2) est quant à lui très polluant à l'heure actuel et ce défaut peut faire que la pile n'ai pas pour l'instant d'avenir. Mais lorsque ce problème sera réglé alors la pile à combustible aura champ libre pour occuper la place de leader en production d'énergie électrique.
La pile à donc un avenir qui lui tend les bras même si quelques problèmes se posent. Le développement encore en cours de la pile va permettre de les résoudre à court ou à long terme ce qui va permettre à la pile d'occuper enfin la place qui lui revient.