La pile à combustible

Publié par Publication le 30/07/2004 à 17:45
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1 - Introduction

Les auteurs de ce dossier sont conjointement Brice CANONNE et Yoann SAPANEL, un grand merci à eux. Vous pouvez retrouver ce dossier sur leur site Internet: lien

les auteurs remercient particulièrement les membres du CEA et de l'Ademe pour toutes les informations qu'ils ont envoyées suite à leur demande.

Introduction

L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) abondante et non polluante, capable de faire rouler les véhicules et faire fonctionner tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) appareil électrique, est certainement représentée de nos jours par l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et son vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...): la pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...).

Ce dossier présente l'évolution de la technologie de la pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...), les enjeux, son principe de fonctionnement et ses utilisations possibles, allant de la batterie de téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix...) portable jusqu'au prototype automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) Necar4.

2 - Historique

Sir William Grove



En 1839, un avocat anglais, Sir William GROVE, chercheur amateur en électrochimie, découvre le principe de la pile à combustible. A l'exception de quelques tentatives de développement à la fin du XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), on en restera à cette curiosité scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) durant pratiquement une centaine d'années. Elle trouvera sa première application concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une...) 130 ans plus tard dans les programmes spatiaux GEMINI et APOLLO.

Gemini



Durant les années 1930, un autre scientifique anglais, F. T. BACON entreprend de développer un dispositif opérationnel à partir de l'expérience de GROVE. Ses travaux aboutissent vingt ans plus tard à la réalisation d'une pile d'une puissance d'un kW. Toutefois, la découverte et l'industrialisation de la dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en...) mirent au placard la pile à combustible jusqu'aux années 1960.

La consécration ne surviendra qu'en 1965 quand on apprend que les astronautes des capsules GEMINI consomment l'eau produite par les générateurs électriques de leur vaisseau. Ces générateurs sont les premières piles à combustible ayant une utilisation réelle. Les réalisations de BACON suscitent un intérêt scientifique et industriel considérable et des programmes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sont initiés dans les principaux pays développés (Les pays développés à économie de marché (PDEM) sont des pays dont la...).

En France durant des années 1960 à nos jours

La France ne reste pas à l'écart de ces travaux et tous les grands acteurs du domaine énergétique ont des programmes souvent très importants: GAZ DE FRANCE (Gaz de France est un ancien groupe énergétique français, spécialisé dans...), ALSTHOM, THOMSON, IFP, ONIA, RENAULT, etc.

Pour des raisons internes (échecs techniques répétés,...) et externes (choix stratégique d'autres filières de production d'électricité, ...), les programmes sont progressivement arrêtés et, en 1981, l'abandon du dernier programme crée un véritable traumatisme (Un traumatisme est un dommage de la structure ou du fonctionnement du corps ou du psychisme. Il...) dans les milieux scientifiques et politiques. Au début des années 1980, il n'était pas bon d'évoquer les piles à combustible dans certains couloirs et antichambres.

Ce n'est qu'au milieu des années 90 que les recherches vont reprendre (dans l'automobile notamment). A la fin de cette décennie, les recherches vont êtres encouragées et financées (en partie) par l'Etat, qui crée en 1999 le Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de recherche technologique (La recherche technologique constitue la suite de la recherche scientifique, afin de valoriser dans...) "pile à combustible". Ce réseau a été créé par Claude Alègre, alors ministre de l'Education Nationale, de la Recherche et de la Technologie; il rassemble de nombreuses entreprises, centres de recherche et universités françaises: EDF, PSA, Renault, Lyonnaise des eaux, Vivendi, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), CEA, Supelec, Université de Poitiers (L'université de Poitiers est une université française située à Poitiers....) et de Perpignan... En tout 56 projets ont été sélectionnés. Environ 20 millions d'euros ont été mis à disposition pour assurer le financement de ces projets pour la période 1999-2000

Exemple du CEA

Le budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) du programme nouvelles technologies pour l'énergie, établi à 118 MF pour l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) 2000 est en progression forte en 2001 puisqu'il est d'un montant de 171 MF (+53 MF soit une progression de 44%).

La part consacrée à l'hydrogène et les piles à combustibles s'élève à 91 MF pour l'année 2001.

Environ 200 ingénieurs et techniciens du CEA sont impliqués dans le programme nouvelles technologies pour l'énergie en 2001 (100 en 2000), dont la moitié des effectifs travaillent sur l'hydrogène et les piles à combustibles. Ces chiffres devraient atteindre respectivement 300 et 175 personnes en 2004

De nouvelles avancées

Les entreprises du secteur automobile consacrent une part importante de leur capital pour faire progresser la recherche. Elles ne sont plus les seules, puisque le secteur de la téléphonie mobile (La téléphonie mobile désigne toute l'infrastructure de télécommunication permettant d'utiliser...) s'y intéresse de plus en plus. Ce phénomène concerne toutes les entreprises ayant une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) en rapport avec l'énergie; ces recherches visent à améliorer le rendement des piles ainsi que leur taille, leur coût de fabrication (etc.) tout gardant le même principe de fonctionnement découvert en 1839... Si la faisabilité technique est démontrée, il ne va pas de même pour la faisabilité économique.

Le cadre européen

Le programme-cadre de l'Union européenne supporte l'effort de recherche et développement technologique et de démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) des piles à combustible représente une solution qui pourrait contribuer au développement durable (Le développement durable (traduction de Sustainable development) est une nouvelle conception...) des objectifs de diverses politiques européennes essentiellement en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) d'énergie, d'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et de transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou...) dans le court, moyen et long terme.

Ce soutien s'est accru de 8 millions d'euros entre 1988 et 1992 pour atteindre 54 millions d'euros dans le quatrième PCRD(1994-1998). Depuis le début de la mise en oeuvre du cinquième PCRD (1998-2002), la contribution européenne au développement des systèmes de piles à combustibles est déjà sensiblement supérieure à 30 millions d'euros. En parallèle, des Etats membres de l'Union européenne mènent des programmes nationaux liés aux développement et à l'application de cette nouvelle technologie.

L'intérêt croissant de l'industrie et des millieux académiques a encouragé la Commission européenne à choisir le secteur des piles à combustible comme expérience pilote dans le processus de promotion d'un véritable Espace européen de la recherche prôné par la Commission et approuvé par le Conseil européen. Cette initiative est de surcroît supportée par le Parlement européen.

Le contexte énergétique

L'Agence internationale de l'énergie estime(datant du 6 avril 2001) que la demande mondiale en énergie, principalement d'origine fossile(pétrole, gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), charbon), va croitre de 57 % dans les vingt prochaines années. Cette forte croissance de la consommation d'énergie se fera dans un contexte où les ressources de gaz et de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...) seront de plus en plus concentrées dans des zones d'incertitudes géopolitique (La géopolitique désigne tout ce qui concerne les rivalités de pouvoirs ou...), ce qui est préoccupant pour la sécurité énergétique.

Cette perspective de forte croissance de la demande en énergie intervient alors que le phénomène du réchauffement climatique, dont il est désormais scientifiquement prouvé qu'il est la conséquence des activités humaines et notamment le résultat de l'utilisation des combustibles fossiles, impose une réduction de la production énérgétique, tout au moins de sa composante la plus génératrice de gaz à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie...).

Comment alors résoudre ce paradoxe: augmenter la production d'énergie pour satisfaire la hausse de la demande, tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production...)?

Si l'on veut réduire ou tout au moins stabiliser les émissions de gaz à effet de serre, tout en continuant à consommer la même quantité d'énergie, et donc ne pas changer notre mode de vie (La vie est le nom donné :), il est nécessaire de recourir à des modes de production d'énergie ne contribuant pas à l'effet de serre, comme le nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), ou les énergies renouvelables. Toutefois, en France, si 40.9 % de la consommation totale d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant...) de chaque Français proviennent d'électricité produite par le nucléaire et les autres énergies non productrices de gaz à effet de serre, le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) en énergie du secteur des transports, qui représente le quart de l'énergie consommée, est couvert à 95 % par le pétrole.

Grâce à cela, un Français émet 1.8 fois moins de gaz carbonique qu'un Allemand et 2.9 fois moins qu'un Américains

Comment remédier à cet accroissement de l'effet de serre, provoqué par les transports? La solution passe par la recherche d'un vecteur énergétique pouvant être produit à partir de différentes sources d'énergies primaires "propres", transportables, stockables et distribuables et également qui seraient facilement convertibles dans les modes d'utilisation finale.

3 - Fonctionnement de la pile à combustible

Définition

Une pile à combustible est un générateur électrochimique d'énergie permettant de transformer directement l'énergie chimique d'un combustible (hydrogène, hydrocarbures, alcools,...) en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) sans passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) par l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...).

Principe de fonctionnement



La pile à combustible fonctionne sur le monde inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) de l'eau. Ici, on supprime la source de tension (La tension est une force d'extension.), on alimente en hydrogène et oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) et on constate l'apparition d'une tension électrique entre les deux électrodes: le dispositif est devenu un générateur électrique (Les générateurs électriques sont des dispositifs permettant de produire de l'énergie...) qui fonctionnera aussi longtemps qu'il sera alimenté. Pour cela elle est constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte, matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) qui bloque le passage des électrons mais laisse circuler les ions. (voir le shéma)

Le combustible à base d'hydrogène H2 est amené sur l'anode. H2 va se transformer en ions H+ et libérer des électrons qui sont captés par l'anode. Les ions H+ arrivent sur la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) où ils se combinent aux ions O2 constitués à partir de l'oxygène de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), pour former de l'eau. C'est le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode qui va produire un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) continu à partir de l'hydrogène. Cependant cette tension ne dépasse pas 0,7 V par cellule ; il faut donc utiliser un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de cellules en série pour obtenir la tension requise. Le courant électrique produit par la pile est continu ; il est donc souvent nécessaire de placer en aval de la pile un onduleur (Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et...) permettant la transformation du courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un...) en un courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current...), notamment lorsque l'installation est utilisée pour fournir du courant domestique.



La réaction est déclanchée à l'aide d'un catalyseur. Il s'agit en général d'une fine couche de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) disposée sur les électrodes (anode et cathode)

Un des points critique, relatif à la construction de la pile, est de pouvoir contrôler de manière optimale l'approvisionnement et l'évacuation des composés alimentant chaque cellule (généralement de l'hydrogène et de l'air), ou devant être évacués (généralement de l'eau).

Une pile, un système



Comme un moteur, une pile à combustible a besoin d'être entourée de composants et de sous-systèmes pour se transformer en générateur d'électricité.

Il lui faut:
- un réservoir
- un compresseur d'air
- un sous-système de refroidissement
- un convertisseur
- un contrôle commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) avec ses capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...), vannes...

Toutefois le fonctionnement reste très silencieux.

Le combustible & et son stockage



Le combustible le plus simple à utiliser est l'hydrogène. C'est également lui qui permet d'obtenir les densités de courant les plus élevées. Sa combustion ne produit que de l'eau (sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) ou de vapeur). C'est un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) réactif et il est abondant. Cependant il est inflammable dans l'air ou en présence d'oxygène. De plus, incolore et inodore, c'est un gaz à manipuler avec précaution. Autre inconvénient: il occupe beaucoup de place, ce qui s'avère problématique dans le cas de piles équipant des véhicules. Les recherches sur la pile portent donc également sur les réservoirs de stockage d'hydrogène que l'on veut plus sûrs, plus légers et plus compacts. Une des solutions consiste donc à utiliser un hydrocarbure ou un alcool comme le méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol,...). Dans le domaine du stockage les avancées technologiques progressent de jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) en jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).

Le rendement

Le rendement d'une pile à combustible varie selon le type de pile et peut être supérieur à 50%. A titre de comparaison, le rendement d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) est en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) de 15%. De plus, l'énergie non convertie en énergie électrique est émise sous forme de vapeur () d'eau (donc de chaleur) qui est utilisée à des fins de cogénération (La cogénération (ou « co-génération ») est un principe de...): chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...), eau chaude...

4 - Les atouts de l'hydrogène

L'hydrogène répond à toutes ces conditions. Il est l'élément le plus abondant de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...), essentiellement présent sous forme d'eau. Il permet de stocker et de distribuer de façon souple l'énergie, tout en étant peu polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène...), puisque sa combustion produit de l'eau. C'est un produit industriel couramment et massivement utilisé en France dans la pétrocimie et l'industrie chimique. Cependant, l'hydrogène n'est pas directement disponible. La majorité des procédés industriels (95 %) de production d'hydrogène font appel au reformage des hydrocarbures. Dans ce cas, l'intérêt de l'hydrogène en tant que "combustible propre" est limité dans la mesure où ces filières de production ont recours à des sources fossiles, qui produisent, simultanément à l'hydrogène, des gaz à effet de serre. Les deux seules sources d'hydrogène propre sont d'une part l'eau et d'autre part les hydrates de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) contenus dans la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces...). Ces procédés de production n'ont pas encore atteint un niveau de rentabilité économique. Il faut donc étudier la possibilité de disposer d'un hydrogène économiquement compétitif, d'infrastructures permettant de le produire, de le stocker, de le distribuer et de l'utiliser en toute sécurité pour le consommateur et pour l'environnement.

L'oxydation du bois, qu'elle soit naturelle ou provoquée lors d'une combustion génératrice d'énergie, émet la même quantité de gaz carbonique que celle utilisée par la plante lors de sa croissance. Il y a donc neutralité vis-à-vis de l'effet de serre.

5 - Les utilisations possibles

Dans ses débuts, la pile à combustible a été utilisée massivement dans les programmes spatiaux et par les armées.
Aujourd'hui, les utilisations potentielles des piles à combustible sont très nombreuses et variées.

On distingue trois grandes familles de piles:
- Les piles à combustible embarquées (voitures, bus, etc.)
- Les piles à combustible stationnaires (centrales de cogénération, etc.)
- Les piles à combustible miniaturisées ou "portables" (téléphones portables, ordinateurs portables, etc.)

Selon leur utilisation, les piles sont différentes. On distingue principalement deux types de pile: certaines fonctionnent à basse température (moins grandes et moins puissantes: téléphones portables...), d'autres à température moyenne ou élevée (grandes et très puissantes: bus, navires...). C'est le type d'électrolyte utilisé qui détermine la température à laquelle la pile va fonctionner.

Les piles à combustible embarquées

Le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) est le domaine d'application à l'origine du développement de la pile à combustible à partir du début des années 90.

Compte tenu de la contrainte du coût, particulièrement forte dans ce secteur, et de la concurrence de la technologie traditionnelle (moteurs thermiques), mature et performante (mais très polluante...), il faut distinguer deux sous-familles assez différentes dans leurs cahiers des charges, suivant qu'il s'agit d'équiper un véhicule léger ou un véhicule lourd. Il est demandé au véhicule léger quelques 3000 h de fonctionnement pour une dizaine d'années de durée de vie, alors qu'un véhicule lourd (transports de passagers ou de marchandises) exige une durée de fonctionnement 100 fois plus longue ! Il est évident que la technologie et la durée d'amortissement ne seront pas du tout les mêmes...

- Les véhicules légers: dans ce domaine, de nombreux prototypes ont vu le jour depuis 1993. Le constructeur allemand Daimler-Chrysler (alias Mercedes, etc.) a montré 4 prototypes Necar, dont le plus récent (Necar 4 alimenté en hydrogène liquide), présenté en 1999, est construit sur la base de la voiture de série Class (CLASS (CLS) est un célèbre groupe de l'underground informatique. CLASS a cessé son...) A. La Necar 5, modèle de pré-série équipé d'un reformeur alimenté en méthanol, a vu le jour en novembre 2000. Les Américains et les japonais ne sont pas en reste avec des prototypes signés: General Motors (General Motors NYSE Euronext : GM est une société du secteur automobile, basée aux...) (sur la basse d'une Opel (Opel est une marque automobile allemande dont le logo est le "blitz" (éclair en français).) Zafira), Ford (Ford Motor Company, généralement appelée simplement Ford, est un constructeur automobile...) (avec plusieurs prototypes Think FC5), Toyota (Toyota est un constructeur automobile, originaire du Japon. Le siège du groupe est situé dans la...) (deux prototypes), Nissan (Nissan Jid?sha Kabushiki Gaisha (?????????) ou Nissan (??) (NASDAQ : NSANY) est un...) (avec son R'nessa), Mitsubishi, Honda, Madza... Quant aux constructeurs français, Renault a présenté un prototype en 98 (type Laguna) et PSA en collaboration avec le CEA prévoient sur la base d'un Partner/Berlingo un prototype milieu 2000. Tous ces constructeurs prévoient des pré-séries à partir de 2004-2005.



Pour des raisons de sûreté et de réglementation, le combustible utilisé dans une première phase sera un combustible hydrogéné (méthanol ou gaz naturel) alimentant un réformeur embarqué. Au cours de la période 2005-2010, les constructeurs vendront probablement à perte pour ouvrir le marché et emmagasiner de l'expérience. La technologie ne deviendrait finalement rentable qu'à partir de 2010.

- Les véhicules lourds: plusieurs prototypes de bus ont été construits à partir de 1993. Le canadien Ballard, a fait office de pionnier avec six bus (pile de 200kw), qui on aujourd'hui achevé leurs tests en service à Vancouver (USA) et Chicago (USA), et qui annonce une commercialisation fin 2002.



L'allemand Daimer-Chrysler, sur la même technologie que Ballard, a montré en 1997 un prototype de bus (le Nebus), et annoncé le lancement d'une pré-série de 30 bus (Citaro) pour 2003 (pour une mise en service dans plusieurs villes d'Europe. Compte tenu de la durée de vie attendue, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) économique de cette application est viable dès maintenant (comme pour le "stationnaire"), ce qui explique l'optimisme des deux derniers constructeurs cités.



A côté de ses applications routières, des constructeurs planchent sur un tramway propre et sans caténaire (Une ligne aérienne de traction électrique est appelée:), ainsi que pour des applications pour des navires (notamment pour l'armée car la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) deviendrait plus propre, plus efficace et plus discrète).

Les piles à combustible stationnaires

Les piles à combustibles peuvent constituer d'excellentes sources d'énergies délocalisées. Et compte tenu des nouvelles lois sur la déréglementation du secteur électrique et des tendances vers la décentralisation de la production d'énergie électrique, ce secteur commence à intéresser de nombreux industriels, en particulier aux Etats-Unis. Les deux principaux domaines d'application sont la production collective (puissance de 200kW à quelques MW) et la production individuelle (puissance de 2 à 7kW).



Le rendement électrique d'une pile à combustible varie selon la taille de l'installation. Cette caractéristique rend possible la construction de petites unités, très proches des utilisateurs. Celles-ci ont l'avantage de pouvoir fournir en plus de l'énergie électrique, de l'eau chaude, pouvant être utilisée par exemple pour le chauffage domestique. Le rendement total de la pile utilisée à des fins de cogénération peut s'élever à 80% !

Dans la production d'électricité collective, de nombreux projets et démonstrations existent. Un premier modèle de pile à combustible stationnaire a été démarré en France début 2000 par EDF pour alimenter un groupe HLM à Chelles (en Seine-et-Marne). La pile fournit électricité et chaleur (par cogénération) à l'équivalent de 200 foyers.

En ce qui concerne la production individuelle, plusieurs projets sont en cours de réalisation notamment au Etats-Unis. La commercialisation de la dizaine de prototypes actuellement en simulation réelle est prévue pour fin 2002(voir plus bas).



Les persepectives pour l'avenir semblent être très prometteuses, et pourront êtres appliquées en nombre dès que les coûts de revient baisseront (sans doute dans quelques dizaines de mois). En effet, un kilowatt-heure produit par une pile à combustible coûte actuellement 5 à 6 fois plus cher que son équivalent fourni par une technologie conventionnelle (turbine à gaz, centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour...)...); mais à terme il s'agira (Agira est une commune italienne de la province d'Enna dans la région Sicile en Italie.) d'une économie de 20% sur la facture de chauffage et d'électricité pour le particulier!

Les piles à combustibles miniaturisées

Cette famille inclut essentiellement les téléphones et les ordinateurs portables. Ces deux applications connaissent une très forte croissance, mais sont de plus en plus handicapées par l'autonomie de leur batterie. Même la plus performante laisse classiquement quelques jours d'autonomie à un téléphone et environ 3 heures à un ordinateur portable (Un ordinateur portable, laptop (en Suisse) ou encore PC portable est un ordinateur personnel qui,...). Or les clients demandent aujourd'hui 3 à 5 fois mieux alors que la batterie électrochimique est proche de ses limites. La pile à combustible peut être une bonne alternative aux batteries au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) actuelles.



L'ensemble des équipementiers est conscient de cet état de fait. De nombreuses recherches s'orientent à la fois vers l'optimisation des composants et des architectures de circuit afin de diminuer la consommation et vers la mise au point (Graphie) de sources d'énergie miniatures nettement plus performantes que les accumulateurs actuels dont la marge de progression est désormais relativement faible. Dans ce contexte, la pile à combustible apparaît comme une solution attractive car elle permet de séparer les paramètres puissance électrique et autonomie d'utilisation.

Cette pile à combustible qui fait l'objet de recherches importantes, va charger une petite batterie qui assurera mieux le fonctionnement de l'appareil. L'autonomie ne sera alors limitée que par la taille du réservoir d'hydrogène ou de méthanol. L'utilisateur rechargera son portable comme il recharge un briquet (Un briquet est un dispositif pyrotechnique autonome, destiné à produire une flamme. Le...) ou un stylo a encre. Donc très rapidement!
Ce type de pile offre donc des degrés de liberté d'exploitation supplémentaires qui pourraient conduire, tout en satisfaisant les besoins en puissance instantanée des appareils portables, avec de 3 à 5 fois plus d'autonomie qu'une batterie actuelle... et ce, pour le même encombrement !

De grandes ouvertures....

La pile à combustible nous réserve donc de grandes ouvertures pour les années à venir. La technologie progresse énormement surtout afin de limiter les coûts de production, qui par exemple obligent actuellement aux administrations de financer les recherches et les sites "pilotes".

Les applications potentielles des piles sont très nombreuses et pourraient révolutionner dans les années qui viennent notre quotidien...

Et notamment dans le domaine automobile....

Beaucoup de constructeur comme DaimlerChrysler (Daimler AG (anciennement DaimlerChrysler AG), dont le siège social est à Stuttgart en Allemagne,...), Toyota, Nissan, Renault et bien d'autres prévoient des préséries à partir de 2004-2005. Malgré l'existence de plusieurs prototypes présentés avec de l'hydrogène stocké à bord (sous forme liquide, gazeuse ou absorbé dans un hydrure), le combustible utilisé dans une première phase sera très probablement pour des raisons de sûreté, de réglementation et de logistique (La logistique est l'activité qui a pour objet de gérer les flux physiques d'une...) de distribution un combustible hydrogéné (méthanol ou gaz naturel) alimentant un réformeur embarqué.

Au cours de la période 2005-2010, les constructeurs vendront probablement à perte pour ouvrir le marché et emmagasiner de l'expérience, comme aujourd'hui Toyota avec le véhicule Hybride thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) Prius. La technologie ne deviendrait financièrement rentable qu'a partir de 2010. Dans cette période 2005-2010, DaimlerChrysler prévoit de construire entre 50 000 et 100 000 véhicules à pile à combustible. A l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2030, ce sera le marché mondial qui sera visé, avec une production annuelle supérieure à 50 millions de véhicules, soit 10 % du marché global.

6 - Les avantages des piles à combustibles

Si les piles à combustibles suscitent un tel engouement, c'est parce qu'elles présentent de nombreux avantages primordiaux aujourd'hui:
- Elles produisent de très bons rendements énergétiques.
- Elles sont très peu ou pas polluantes (selon le combustible utilisé).
- Elles sont silencieuses.
- Elles prennent peu de place.
- Elles peuvent fonctionner à basse température.
- Elles demandent peu d'entretien.

De bons rendements énergétiques...

Actuellement, le rendement de conversion en énergie électrique varie selon le type de pile et est généralement supérieur à 50 %. L'énergie non convertie en énergie électrique est émise sous forme de chaleur et est évacuée sous forme d'eau chaude ou de vapeur. Mais alors que dans les grandes centrales de production d'électricité la chaleur est perdue, ici elle est valorisante.

En effet, dans les installations de combustion classique, ce rendement proche de 50 % n'est obtenu que dans de très grandes centrales. Si l'on réduit la taille de l'installation, ce rendement de conversion va fortement chuter. Le rendement électrique d'une pile à combustible n'est quant à lui pas dépendant de la taille de l'installation.

Ceci va permettre la construction de petites unités, très proches des utilisateurs, qui non seulement fourniront l'énergie électrique mais également l'eau chaude qui pourra, par exemple, être utilisée pour le chauffage domestique. Le rendement global va alors pouvoir grimper à 80-90 %.

Dans le domaine des transports, l'intérêt énergétique doit être évalué en comparaison avec d'autres systèmes et la comparaison est délicate puisque peu de véhicules équipés de piles à combustible ont circulé.
Les chiffres fournis sont donc des ordres de grandeur généralement admis par les spécialistes.

Une première comparaison peut-être faite à partir des rendements maximaux:
- Un moteur thermique d'automobile a un rendement qui varie entre 25 % et 30%
- Une pile à combustible à membrane a un rendement qui varie entre 40 % (fonctionnement avec reformeur) et plus de 50 % (fonctionnement à l'hydrogène pur).

Le fait que les piles à combustibles aient un fort rendement énergétique, elles ont donc besoin de peu de combustible et sont donc économiques et écologiques: un atout essentiel notamment pour des applications dans l'industrie.

Protègent l'environnement...

De la production à la consommation, la polution émise lors de l'utilisation de méthanol est 97% moins importante que si on emploie un carburant tel que l'essence. (voir le graph comparatif)
Les véhicules à méthanol ne produisent presque aucune émission:
- de gaz à effet de serre,
- de monoxyde de carbone (99% moins qu'un véhicule à essence).

Les véhicules à méthanol ne produisent aucune émission:
- d'oxyde d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...),
- de particules,
- de poussières
- de sulfates.



Les qualités environnementales des piles à combustible et leur excellent rendement contribueraient, là où elles sont utilisées en remplacement de systèmes traditionnels, à l'amélioration de la qualité de l'air et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre (CO2). C'est pourquoi, qu'il s'agisse de propulsion automobile ou d'installations fixes, le recours à la pile à combustible pourrait être une contribution essentielle au respect des engagements de Kyoto mais aussi une preuve que ces objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre peuvent être une source de développement de nouvelles activités industrielles et de service, génératrices d'emplois de qualifications très diverses.

Silencieuses...

Le cœur d'une pile n'émet pas de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....), son fonctionnement est silencieux contrairement aux moteurs ou aux turbines à gaz, seuls la ventilation, le convertisseur et la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) des fluides sont audibles (compresseurs, pompes, ventilateurs): un atout pour réduire la polution sonore des villes...

Peu encombrantes...



La technologie moderne - la miniaturisation - a permis de résoudre un handicap majeur de la pile: son encombrement. Les dernières recherches ont amené une miniaturisation telle que la pile tient sans problème dans une " classe A " sans diminuer l'espace du coffre ou des passagers. Sans oublier des prototypes de piles ou accumulateurs pour téléphone et ordinateurs portables qui ont fait leur apparition sur le marché.

Fonctionnent à basse température...

Pour les applications mobiles, la température de l'intérieur du moteur n'atteint que 80° C au maximum alors que la température du cœur d'un moteur diesel (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le...) est de plus de 1000° C. La température d'échappement des gaz de la pile est de 110° C contre 800° C pour un moteur traditionnel. Cet avantage augmente d'autant plus le nombre et la diversité d'applications des piles à combustible.
Pas ou peu d'entretien
La pile à combustible ne provoque aucun mouvement: il n'y a donc pas d'usure et elle ne nécessite, par conséquent, aucun entretien. Ces données restent cependant théoriques compte tenu de la courte existence de la pile. C'est pour cela que de nombreuses expériences sont en cours aujourd'hui.

Pas ou peu d'entretien...

La pile à combustible ne provoque aucun mouvement: il n'y a donc pas d'usure et elle ne nécessite, par conséquent, aucun entretien. Ces données restent cependant théoriques compte tenu de la courte existence de la pile. C'est pour cela que de nombreuses expériences sont en cours aujourd'hui.

7 - Leurs points faibles

Le coût

Le coût de fabrication d'une pile à combustible pour une voiture est de l'ordre de 5000$. Pour pouvoir la commercialiser, le prix doit être divisé par 50! Mais la pile n'est qu'un élément supplémentaire à notre voiture actuelle, il faut donc encore ajouter le moteur, la voiture...
Le coût de la pile à combustible reste LE frein important à sa commercialisation.

Pourquoi cela coûte-t-il si cher?

La construction d'une pile à combustible met en oeuvre des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) coûteux:
- le catalyseur en platine,
- le graphite,
- la membrane à H+.
Les chercheurs et les ingénieurs tentent de remédier à ces défauts. Ils ont ainsi divisé par plus de 30 la quantité de platine nécessaire au fonctionnement de certaines piles à combustible.
Actuellement, les piles ne sont pas encore fabriquées en grande série ce qui laisse des coûts de fabrication élevés.
Selon les experts, le problème du coût des piles sera réglé dans 5 ou 10 ans.

Durée de vie

L'un des grands points d'interrogation est la durée de vie d'une telle pile. Aujourd'hui, elle n'est que de quelques milliers d'heures.
Pour être intéressantes, les piles doivent atteindre une durée de vie de 20 000 à 40 000 heures (entre 2 et 5 ans). On est loin d'en avoir fait la preuve.
Devra-t-on remplacer complètement une pile usagée ?
Sera-t-il possible de ne changer que les éléments usés ?
Que coûtera une remise à neuf ?
Les nombreuses expériences en cours nous le dirons.

La disponibilité des combustibles de qualité adéquate

Qui dit nouveau carburant, dit nouveau réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue...).
Nous sommes actuellement équipés de pompes à essence. Si nous voulons mettre en service la distribution du méthanol, il suffira de supprimer une pompe de super 98+ et de la remplacer par une pompe méthanol.
Il faut savoir également que la pile à hydrogène est fort exigeante quant à la qualité du combustible, trop d'impuretés rendraient le catalyseur inopérant. Le combustible ne peut contenir qu'1cm3 de CO par m3 d'hydrogène.
Toute la difficulté consiste à obtenir ce combustible "pur", la solution a été de placer un purificateur avant l'entrée de l'hydrogène dans le circuit de transformation.
De plus, la pile rejette tout de même des substances (CO, CO2, S); celles-ci sont cependant bien moins nombreuses (de 95 à 99% moindre que pour une voiture essence ordinaire).

L'idée préconçue

Un des gros barrages à passer sera l'idée que les gens se font de l'hydrogène. Actuellement, il a plutôt "mauvaise réputation": les gens pensent que les risques d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) sont élevés même si ceux-ci ne sont pas plus grands qu'avec d'autres combustibles.
Il y a cependant, bien évidemment, des précautions à prendre lors de la manipulation d'hydrogène, comme il y en a lors de la manipulation d'essence...

8 - L'impact sur l'environnement

La pile à combustible est sans doute à l'heure (L'heure est une unité de mesure  :) actuelle le moyen le moins polluant pour faire de l'énergie électrique.
Pourrons-nous dire adieu à nos batteries en lithium (très polluantes, mais qui peuvent être recyclées) d'ici quelques années? Il y a de grandes chances...
Selon le combustible que l'on utilise (on peut utiliser n'importe quel combustible du moment qu'il contient des molécules de dihydrogène) la pile est plus ou moins polluante.

Le méthanol

Globalement, le méthanol est comparativement à l'essence bien moins polluant, 97% moins polluant que l'essence. On peut donc dire que d'un point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) environnemental, il est préférable d'employer du méthanol à l'essence.
Mais il faut également se rendre compte que la pile à combustible alimentée au méthanol réduit la polution mais pas la circulation automobile. Celle-ci étant une grande source de polution...
La solution pour l'environnement n'est donc que partielle, elle serait un peu plus proche de la perfection si on employait le pile à combustible mais alimentée directement à l'hydrogène.

L'hydrogène

En effet, à part l'électricité, la réaction entre l'hydrogène et l'air ne produit que... de la vapeur d'eau. Comme tel, le processus ne rejette en tout cas aucun gaz à effet de serre, contrairement à la combustion des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon).
Sur le papier, en tous cas, la pile à combustible s'apparente à la panacée (Dans la mythologie grecque, Panacée (en grec ancien...) écologique, mais dans l'état actuel de la technologie, la production d'hydrogène (nécessaire pour le fonctionnement de la pile) n'est pas un processus neutre sur un plan écologique. Néanmoins, la production centralisée de l'hydrogène présenterait l'avantage que la polution qui en résulterait, notamment les gaz carboniques, serait plus facilement canalisable. A une telle échelle de production il devient économiquement et techniquement envisageable de récupérer et de traiter le CO2. Ce qui est difficilement concevable à l'échelle de chaque véhicule ou de chaque utilisateur individuel.

9 - Lexique

Ce petit lexique pour vous éclairer pendant votre lecture.

combustible

- Qui peut brûler. Corps, matière combustible.
- Substance qui peut entrer en combustion (bois, charbon, essence, méthanol, gaz naturel...) et être utilisée pour produire de la chaleur.

catalyseur

Substance qui modifie, sans subir elle-même d'altération appréciable, la vitesse (On distingue :) d'une transformation chimique.

dynamo

Génératrice de courant continu.

électrode

- Pièce conductrice permettant l'arrivée du courant électrique au point d'utilisation.
- Chacune des pièces (anode ou catode) d'un dispositif électrochimique qui permettent le passage des électrons.

électrolyte

Composé qui, à l'état liquide ou en solution, permet le passage du courant électrique par déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) d'électrons.

gaz à effets de serre

La moitié environ de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) n'arrive pas à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Elle est arrêtée par la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) nuageuse, par les gaz et les poussières. L'autre moitié des rayons solaires traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et réchauffe la surface de la Terre. La terre réchauffée, renvoie vers le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) une partie de cette énergie sous forme de rayons infrarouges, porteurs de chaleur. Une partie de ces rayons émis par la terre est bloquée par la couche de gaz à effet de serre. C'est ainsi que la terre garde une partie de sa chaleur, et reste à une température moyenne de 15 degrés. Les industries, les voitures, le chauffage, l'élevage...produisent des gaz dont certains s'échappant dans l'athmosphère provoquent une augmentation de l'effet de serre. La chaleur augmente et la température de la terre risque de s'élever.

générateur

- Machine servant à produire du courant continu
- Appareil qui transforme une énergie quelconque en un autre type d'énergie, spécialement en énergie électrique.

hydrocarbure

Corps composé exclusivement de carbone et d'hydrogène.

méthanol

- Alcool qui renferme le radical méthyle.
- Alcool méthylique ou méthanol, de formule CH 3 OH, utilisé dans la fabrication du formol et comme solvant.

prototype

Premier exemplaire d'un produit industriel, essayé et mis au point avant la fabrication en série.

reformeur

Dispositif permettant de convertir un combustible (exemple: méthanol, méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...), essence...) en hydrogène et CO2.
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