[Dossier] La pile à combustible

Production, exploitation, stockage, etc...

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[Dossier] La pile à combustible

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 17:45:59

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: http://pileacombustible.free.fr

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 abondante et non polluante, capable de faire rouler les véhicules et faire fonctionner tout appareil électrique, est certainement représentée de nos jours par l’hydrogène et son vecteur: la pile à combustible.

Ce dossier présente l’évolution de la technologie de la pile à combustible, les enjeux, son principe de fonctionnement et ses utilisations possibles, allant de la batterie de téléphone portable jusqu’au prototype automobile Necar4.

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Historique

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 17:50:05

Sir William Grove

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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, on en restera à cette curiosité scientifique durant pratiquement une centaine d'années. Elle trouvera sa première application concrète 130 ans plus tard dans les programmes spatiaux GEMINI et APOLLO.



Gemini

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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 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 sont initiés dans les principaux pays développés.



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, 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 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 de recherche technologique "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, CEA, Supelec, Université de 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 total de l'ensemble du programme nouvelles technologies pour l'énergie, établi à 118 MF pour l'année 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 s'y intéresse de plus en plus. Ce phénomène concerne toutes les entreprises ayant une activité 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 des piles à combustible représente une solution qui pourrait contribuer au développement durable des objectifs de diverses politiques européennes essentiellement en matière d'énergie, d'environnement et de transport 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, 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 seront de plus en plus concentrées dans des zones d'incertitudes géopolitique, 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.

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?

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, il est nécessaire de recourir à des modes de production d'énergie ne contribuant pas à l'effet de serre, comme le nucléaire, ou les énergies renouvelables. Toutefois, en France, si 40.9 % de la consommation totale d'énergie primaire de chaque Français proviennent d'électricité produite par le nucléaire et les autres énergies non productrices de gaz à effet de serre, le besoin 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.
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Fonctionnement de la pile à combustible

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 17:54:01

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 sans passer par l’énergie thermique.



Principe de fonctionnement

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La pile à combustible fonctionne sur le monde inverse de l'électrolyse de l'eau. Ici, on supprime la source de tension, on alimente en hydrogène et oxygène et on constate l'apparition d'une tension électrique entre les deux électrodes : le dispositif est devenu un générateur électrique qui fonctionnera aussi longtemps qu'il sera alimenté. Pour cela elle est constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte, matériau 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 où ils se combinent aux ions O2 constitués à partir de l'oxygène de l'air, pour former de l'eau. C'est le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode qui va produire un courant électrique continu à partir de l'hydrogène. Cependant cette tension ne dépasse pas 0,7 V par cellule ; il faut donc utiliser un grand 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 permettant la transformation du courant continu en un courant alternatif, notamment lorsque l'installation est utilisée pour fournir du courant domestique.

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La réaction est déclanchée à l'aide d'un catalyseur. Il s'agit en général d'une fine couche de platine 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

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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 avec ses capteurs, vannes...

Toutefois le fonctionnement reste très silencieux.



Le combustible & et son stockage

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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 ou de vapeur). C'est un carburant 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. Dans le domaine du stockage les avancées technologiques progressent de jour en jour.



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 à combustion interne est en moyenne 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: chauffage, eau chaude...
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Les atouts de l'hydrogène

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 17:55:24

L'hydrogène répond à toutes ces conditions. Il est l'élément le plus abondant de notre planète, essentiellement présent sous forme d'eau. Il permet de stocker et de distribuer de façon souple l'énergie, tout en étant peu polluant, 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 contenus dans la biomasse. 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.
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Les utilisations possibles

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 17:57:33

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 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 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 (sur la basse d'une Opel Zafira), Ford (avec plusieurs prototypes Think FC5), Toyota (deux prototypes), Nissan (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.

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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.

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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 économique de cette application est viable dès maintenant (comme pour le "stationnaire"), ce qui explique l'optimisme des deux derniers constructeurs cités.

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A côté de ses applications routières, des constructeurs planchent sur un tramway propre et sans caténaire, ainsi que pour des applications pour des navires (notamment pour l'armée car la propulsion 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).

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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).

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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...); mais à terme il s'agira 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. 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 actuelles.

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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 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 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, 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 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 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 2030, ce sera le marché mondial qui sera visé, avec une production annuelle supérieure à 50 millions de véhicules, soit 10 % du marché global.
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Les avantages des piles à combustibles

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:04:26

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.

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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,
- de particules,
- de poussières
- de sulfates.

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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, son fonctionnement est silencieux contrairement aux moteurs ou aux turbines à gaz, seuls la ventilation, le convertisseur et la circulation des fluides sont audibles (compresseurs, pompes, ventilateurs) : un atout pour réduire la polution sonore des villes…



Peu encombrantes…

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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 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.
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Leurs points faibles

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:05:43

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 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.
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 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...
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L'impact sur l'environnement

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:07:31

La pile à combustible est sans doute à l'heure 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.

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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 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 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.
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Lexique

Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:14:36

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 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 d'électrons.


gaz à effets de serre
La moitié environ de l'énergie solaire n'arrive pas à la surface de la terre. Elle est arrêtée par la masse nuageuse, par les gaz et les poussières. L'autre moitié des rayons solaires traverse l'atmosphère et réchauffe la surface de la Terre. La terre réchauffée, renvoie vers le ciel 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, essence...) en hydrogène et CO2.
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Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:15:46

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Messagepar Publication » 30/07/2004 - 18:16:06

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Messagepar jyb » 30/07/2004 - 21:58:31

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 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 pollution mais pas la circulation automobile. Celle-ci étant une grande source de pollution...
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.


Il faudrait peut-être préciser de quel type de polution il s'agit. On a l'impression qu'il est dit

Le méthanol réduit la polution mais pas la polution due à la circulation automobile


Quel sont donc les autres polutions due à la circulation automobile ?
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Messagepar Adrien » 30/07/2004 - 23:02:44

Je suppose que ca veut dire que les 3% de polution que produit l'ethanol engendre quand même quelque chose de non négligeable en prenant en compte toute la circulation automobile.
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Messagepar jyb » 31/07/2004 - 1:06:37

Ah OK :jap:

Pour le reste, il est pas mal du tout ce dossier ;) !
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pile à combustible

Messagepar kik » 21/01/2005 - 15:41:07

un dossier complet compréhensible même pour un non scientifique que je suis:un très bon travail de reherche a été effectué.dommage que ce soit trop cher car l'idée même qu il soit probable de rouler en voiture à combustible m enchante.vivement dans 10 ans!
kik
 

La pile a combustible n'est pas une source d'énergie

Messagepar Lebebe » 25/03/2005 - 22:45:12

Bonjour,

un bien beau dossier, mais qui n'insiste pas sur un point: l'hydrogène et la pile a combustible ne sont pas des sources d'énergies, ce qu'on lit bien trop souvent (mais pas dans ce dossier).

En effet, il faut produire l'hydrogène et pour ce faire, utiliser de l'énergie produite par un autre système. L'hydrogène n'est donc qu'un moyen de stoker de l'énergie produite autrement.

A l'échelle des besoins énergétiques de la planète, il me semble que la seule manière de produire l'hydrogène nécessaire sera l'utilisation d'électricité produite par des centrales nucléaires (fusion ou fission).

A+
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Messagepar quantX » 29/03/2005 - 12:18:03

il s'agit en fait d'une électrolyse de l'eau ... qui donc pollue!!! :bou:
Un con qui marche va plus loin qu'un intellectuel assis
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le point sur l'hydrogène

Messagepar lenel.y » 09/04/2005 - 17:19:33

la réaction de l hydrogene avec l'oxygène de l'air, dans la pile à combustible, ne produit que de l'eau.
Cependant, la pollution globale liée à la consommation de l'hydrogène dépend de la manière dont il est produit.
Pour le bilan co2 et pollution, il faut donc considérer la filière hydrogène dans son ensemble, de la production à la consommation, y compris la pollution liée au transport du gaz vers le consommateur.
Bien que l'atome d'hydrogène soit plus abondant (73/100 de la masse de l'univers visible) ,les ressources naturelles en hydrogène moléculaire sont quasi inexistantes, contrairement à celles en gaz naturel ou en pétrole.
En effet, bien que l'hydrogène gazeux existe à l'état de traces dans la nature, sa concentration naturelle est peu probable due à sa grande réactivité vis à vis de l'oxygène.Il faut donc le produire avant de le consommer. Il existe diverses méthodes de production dont les plus courantes sont les suivantes.
L'életrolyse de l'eau: la décomposition de l'eau se fait grace à de l'électricité de différentes origines: nucléaire ou combustibles fossiles(donc production de co2 ) mais aussi à partir d' énergie hydraulique, solaire,éolienne. Notons que l' énergie électrique nécessaire à la décomposition de l' eau sera toujours plus élevée que l'énergie électrique récupérée lors de la réaction inverse dans la pile à combustible
Le reforming du gaz naturel ou de produits pétroliers.Cependant le carbone extait des hydrocarbures est brulé et produit du co2 et donc contribue a l'effet de serre.
A partir de la biomasse ou de bactéries. Dans ce cas, le gaz doit ètre fortement purifié avant d'alimenter la pile à combustible ,ce qui entraine un cout et des moyens techniques considérables.
L'intéret de l'hydrogène réside donc dans son abondance et par le fait qu'il peut etre produit à partir des sources d' énergie les plus variées.
C'est un produit intéressant dans le contexte de diversification des sources d'approvisionnement en énergie ou de pénurie énergétique.
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Stockage de l'hydrogène

Messagepar lenel.y » 09/04/2005 - 18:00:17

L'hydrogène est un gaz léger, c'est bien connu.Tellement léger qu'il pose des problèmes de stockage. A contenu énergétique égal, à pression et température ambiantes, il occupe un volume 3400 fois plus grand que le mazout. Pour en transporter des quantités raisonnables, il faut donc le comprimer à 300-350 bars pour le stockage ou le transport sur courte distances, ou le liquéfier à -253°C pour le transport de grosses quantités sur de longues distances ( plusieurs milliers de km). D'autres alternatives,comme le stockage d'hydrogène dans des nanotubes de carbone sont également à l' étude.
La méthode de production de l'hydrogène doit etre adaptée en fonction de l'utilisation de la pile;
Les applications stationnaires ( secteur résidentiel, cogénération, production d'électricité). Actuellement, on préférera produire l'hydrogène sur place, par exemple par reforming du gaz naturel.
Les applications mobiles (transport). Lorsque la pile est embarquée à bord du véhicule, deux voies sont envisageables pour l'approvisionnement en hydrogène
Le stockage de grandes quantités d'hydrogène produit ailleurs et amené dans des stations-services par camion citerne ou par canalisations , est, à l'heure actuelle, encore peu réaliste. On s'oriente donc vers la production d'hydrogène dans les station-service meme. Le reforming du gaz naturel semble la solution la moins couteuse, dans un premier temps.
L'approvisionnement en hydrogène dans les véhicules se ferait sous forme gazeuse, dans des réservoirs à 300-350 bars.
Une autre solution consisterait à effectuer le reforming à bord du véhicule à partir d'un combustible liquide, approvisionné en station-service.Le choix d'un combustible qui pourrait etre stocké dans les infrastructures existantes serait un avantage.
La recherche s' intéresse aussi aux piles à combustible directement alimentées en méthanols.
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problème

Messagepar Quisit » 02/05/2005 - 13:01:18

Cet article est interressant mais partial, il aborde le problème sous un mauvais angle (l'hydrogène est une energie non polluante et renouvellable) ce qu'il n'est pas, (comme dit par d'autres plus haut, l'hydrogène n'est qu'un stockage temporaire d'energie, produite grâce à d'autres moyens (nucléaires, thermiques, reformage du gaz)

l'article ignore totalement le coté obscur de la farce ou la minimise à outrance

- rendement electrolyse déplorable (50%)
- perte d'énergie à la compression ou pire, à la liquefaction
- perte de H2 au stockage (et oui, il n'existe aucun reservoir étanche à l'hydrogène !, ils fuient tous dans la durée, car h2, la plus petite molécule dans ce monde, se faufille entre celles du reservoir.
- perte de rendement dans la PAC (50% max)

cumuler ces pertes nous amène a une constatation effarante

l'analyse d'une chaine hydrogène "du puit à la roue" nous montre que le RENDEMENT GLOBAL DE LA FILIERE HYDROGENE EST DE 2 à 9% DANS LE MEILLEUR DES CAS !!!

c'est de très loin inférieur aux plus mauvais des biocarburants, et même inférieur à la simple carburation de gaz naturel, dont l'hydrogène va être issu, directement dans les moteurs thermiques actuels de nos voitures !

Enfin, (comme souligné sur le board de furtura-sciences) il est relativement facile de calculer la qualtité de réacteurs nucléaires nécéssaires à la production de H2 pour un monde equipé de voitures à pile-à combustible : plus de 200 rien que pour la france

c'est infaisable et c'est pourquoi la filière H2 interresse tant de monde : elle arrange les filières automobile et pétrolières actuelles, car c'est avec le gaz naturel et le GPL qu'on produira l'hydrogène, en gros ELLE EVITE LA REVOLUTION ATTENDUE DES CARBURANTS ET DES MODES DE TRANSPORTS ou du moins elle espère la repousser

Ainsi, roulez a l'hydrogène, vous roulerez au fossile sans le savoir, adieu les mirages écolos ou d'autonomie energétique

Quand à ceux qui rêvent d'une filière eoliennr > h2, reveillez vous, il faudrait couvrir la planète d'eolienne pour assurer la seule consommation européenne !

Celà, les auteurs de l'article ne l'ont absolument pas abordé, il est temps de redescendre de son nuage concernant la filière hydrogène
Quisit
 

Messagepar Adrien » 02/05/2005 - 13:22:22

Il y a aussi d'autres solution pour la production et le stockage que l'hydrogène seule: l'alcool par exemple. L'alcool contient les atomes d'hydrogènes, qu'on peut extraire facilement pour alimenter une pile à combustible. Il est clairement plus facile à stocker et est moins dangereux. Enfin il est vrai qu'il faut voir plus en détail le rendement et la production.
Adrien
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Messagepar Brice » 08/05/2005 - 14:54:44

bonjour, je suis l'auteur de l'article ;)
juste pour vous dire que notre travail date de 5ans et qu'à l'époque il avait été réalisé pour les TPE de classe de 1ere scientifique au lycée...autant dire que notre dossier doit être prit avec précaution et il me fait plutot sourire aujoud'hui...
dans tous les cas je suis totalement d'accord avec Quisit.
Brice
 

les piles

Messagepar nadinearcq@laposte.com » 17/05/2005 - 19:29:57

bonjour! moi j'aurais voulu avoir la comparaison entre piles jetables et piles rechargeables. En voici les différentes caractéristiques: facilité d'utilisation, coût, plan écologique, tension et durée.
merci d'avance pour vos réponses
nadinearcq@laposte.com
 

Messagepar bibi » 27/06/2005 - 21:46:16

Mais alors Quisit tu vois pas l'avenir avec la pile a combustible ?? cependant à l'heure actuelle c'est l'un des projet énergétique le plus prometteur malgrés tout les défauts que tu as cité...
Alors comment voyez vous l'énergie du futur?
bibi
 
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Messagepar bouh » 11/07/2005 - 19:23:42

l'H2 offre le confort d'utilisation: l'autonomie et le plein de carburant, d'avantage qu'avec les batteries
mais ca a un coût
mais ce coût, pour une fois, n'inclut pas la sécurité (des bouteilles à 700bars d'un gaz très explosif, c'est pas très sécurisant, nettement moins que des batteries. A moins qu'un nouveau stockage de l'H2 apparaisse mais, vu http://www-drt.cea.fr/fr/prog/liten/nte/pac_gene_2.htm, qui date quand même d'1an et demi, ce n'est pas encore l'hypothèse la plus en vue à retenir)

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Alors comment voyez vous l'énergie du futur?
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franchement...
bouh
 

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