La pile à combustible ou pile à hydrogène

Forte de ses promesses, cette technologie fait inéluctablement son chemin dans le marché. Après avoir démarré dans les applications stationnaires, elle pointe le nez dans les portables. Et se positionne dans l’avenir comme une alternative séduisante au pétrole dans les transports.

Une nouvelle technologie fait son apparition pour remplacer les autobus à moteur diesel. Ballard Power Systems de Vancouver (Colombie-Britannique) est la première société au monde à avoir mis au point un autobus urbain à pile à hydrogène et à en faire la démonstration.

Plus que jamais, le marché des piles à combustibles frémit. Dès l’an prochain, on devrait voir fleurir sur le marché des scooters électriques propulsés par cette technologie, comme ceux déjà commercialisés par Yamaha, Honda ou Intelligent Energy. Dans les produits électroniques nomades comme les PC portables, les téléphones mobiles ou les baladeurs multimédia que les géants asiatiques de l’électronique préparent la déferlante pour 2007. Ici, les attentes sont énormes. Le marché est colossal en volume.

Dans l’automobile, le coréen Hyundai pourrait créer la surprise en lançant en Chine en 2010 des voitures embarquant une pile à combustible. Dans les applications stationnaires, le marché est déjà une réalité comme le démontre le leader des onduleurs APC qui propose dès aujourd’hui une offre commerciale pour l’alimentation de secours des centres informatiques.

Si véritablement le temps des énergies fossiles est compté – un demi siècle encore ? – l’hydrogène, le carburant de la pile à combustible, a une voie royale devant lui, concrétisant le beau vieux rêve de disposer d’une source d’énergie continue, « propre » et durable. Ce gaz est abondant dans l’univers, « brûle » sans polluer ni émettre de CO2, et se produit simplement tant à échelle industrielle (procédés pétrochimiques) qu’à échelle locale, voire « artisanale ». Il présente certes quelques défauts, à commencer par son inflammabilité, source de contraintes réglementaires, et sa volatilité qui le rend difficile à stocker.

La première vertu de l’hydrogène est d’être propre. Sa recombinaison avec l’oxygène de l’air n’engendre, il est vrai ni polluants locaux (particules, CO, Nox), ni CO2. Encore que cette affirmation soit à relativiser. Le procédé couramment utilisé pour sa production, reformage d’hydrocarbures, génère en effet du CO2. Tout comme la filière au méthanol, privilégiée dans la phase d’attaque du marché des applications portables. Et l’hydrogène industriellement produit à ce jour n’est pas totalement pur. Ainsi, Gaz de France estime que de l’hydrogène produit à partir de gaz génère 4 mg de Nox par kWh… cinq fois moins, tout de même que les procédés thermiques les plus performants.

Le bénéfice environnemental de l’hydrogène est cependant immense car, contrairement aux carburants qui polluent partout là où ils sont brûlés, la filière hydrogène n’engendre de rejets que sur le lieu de sa production. Ainsi, dans l’avenir, le CO2 sera-t-il infiniment plus simple à piéger et à séquestrer, sur les quelques usines à fabriquer l’hydrogène.

Pour autant, ce ne sont pas exclusivement des considérations liées à la raréfaction du pétrole qui motivent cet engouement pour la pile à hydrogène. Dans le transport, par exemple, le couple moteur + pile offre un rendement exceptionnel et l’absence de bruit. Dans le domaine des objets nomades, la pile supplée le tassement des progrès réalisés sur les accumulateurs, doublant ou triplant d’emblée l’autonomie de ces appareils. Grâce à la recharge immédiate qu’elle offre, l’utilisateur bénéficiera d’un fonctionnement ininterrompu tant qu’il disposera de cartouches de combustible. Plus besoin d’attendre de disposer d’une prise électrique pour retrouver l’usage de son appareil portable, ni de patienter des heures pour en recharger la batterie.

Dans les alimentations de secours, la problématique est encore différente. Là où un groupe électrogène diesel demande une maintenance régulière et où les batteries obligent à un fastidieux renouvellement, la pile à combustible offre une parfaite fiabilité pour peu d’entretien. Les dirigeants d’APC, promoteurs de cette technologie pour l’alimentation de secours des salles informatiques, affirment que le kWh s’avère plus économique avec une pile qu’avec un groupe électrogène. Et de toue façon, le surcoût initial est complètement effacé à la première panne mécanique! Surtout dans une salle d’informatique bancaire ou chez un fournisseur d’accès Internet.

Nouveau record pour le prototype à hydrogène de Valenciennes/Zürich

De même la PAC résout élégamment le problème d’alimentation en énergie de régions isolées, hors raccordement électrique. C’est surtout vrai de pays ou régions riches en énergies renouvelables comme le Canada avec l’hydraulique, l’Islande avec la géothermie, la Californie avec le solaire, ou la Scandinavie avec le vent. Avec l’avantage d’offrir une alimentation énergétique 100% propre dès la source. La synergie de la pile à combustible avec les énergies renouvelables peut dans certains assurer l’autonomie énergétique, comme le démontre l’exemple de l’île d’Utsira, en Norvège. Ici, la population est alimentée en courant par des éoliennes. En périodes de fort vent, l’excédent sert à produire de l’hydrogène par électrolyse. Ce combustible est utilisé lors des pics de consommation ou en périodes de faible vent. La combinaison de la PAC et de l’éolien assure ainsi l’autonomie énergétique de l’île.

L’Europe du Nord est d’ailleurs véritablement entrée dans l’« ère Hydrogène ». En témoignent le projet à court terme de 580 kilomètres d’autoroute à hydrogène reliant Oslo à Stavanger, en Norvège, l’avalanche de projets de transport propre en Suède, ou encore la kyrielle de projets d’usine de cogénération (jusqu’à 500 kWe), au Danemark et en Finlande.

L’Amérique du Nord est aussi très en pointe, à commencer par le Canada, berceau de deux firmes leaders au plan international, Ballard et Hydrogenics, et la Californie, Eldorado des véhicules zéro-émission. Ainsi, la province de Colombie-Britannique prétend rien de moins que devenir le principal marché de l’hydrogène d’ici 2020. Et General Motors, grand promoteur de la pile outre-Atlantique a fait chiffrer une étude qui évalue à 10 milliards d’euros la construction de 1 700 stations à hydrogène sur le territoire américain ! Rien qu’en Californie, d’ici 2010, 150 à 200 stations-service devraient parsemer les routes principales de l’Etat.

C’est l’Islande qui se montre à ce jour le plus ambitieux. Depuis 1999, ce petit pays de moins de 300 000 habitant mise sur l’hydrogène pour assurer son autonomie énergétique à l’horizon 2050. Regorgeant d’énergies hydraulique et géothermique, aujourd’hui très peu exploitées, il veut les transformer en hydrogène qu’il substituerait au pétrole dans son parc de bus, de bateaux de pêche et de voitures. Le plan d’action, dévoilé en 2001 par le consortium Iceland New Energy, qui regroupe notamment Daimler-Chrysler, Norsk Hydro et Shell, prévoit six étapes, la dernière étant l’exportation de l’hydrogène vers l’Europe sous forme liquide à –253°C.

Les enjeux économiques sont considérables. Selon des estimations canadiennes, la pile à combustible pourrait donner naissance à une industrie de 154 milliards de dollars en 2020. Avec à la clé, la création de 15 000 emplois par milliard de chiffre d’affaires et l’émergence de nouveaux champions comme le canadien Ballard ou la start-up allemande Smart Fuel Cell. Le Japon, le Canada, les Etats-Unis et l’Allemagne semblent les mieux positionnés. La Chine entre en course avec un programme R&D de 100 millions de dollars par an.

Les géants japonais de l’électronique, regroupés dans un programme de R&D de 250 millions de dollars par an sous l’égide du Miti, mettent la pile à combustible au cœur de leur stratégie de reconquête du marché. Bousculés par les Coréens et les Chinois dans le marché des piles portables, ils sont décidés à reprendre le leadership à la faveur de cette rupture technologique. Ce qui explique l’accélération du développement de la filière au méthanol pour les applications portables.

En Europe, le développement s’intensifie plutôt dans les transports avec le démarrage dans le cadre de 7e PCRD du projet HyChain. Coordonnée par Air Liquide, ce projet amplifie les tests sur les minibus, véhicules utilitaires, fauteuils roulants, scooters et vélos. Et au lieu de s’appuyer sur des stations de remplissage d’hydrogène, comme c’est le cas dans les expérimentations menées jusqu’ici, il testera un nouveau réservoir en composites qui fonctionne selon sur le modèle des cartouches pour les portables.

Car malgré ses belles promesses, l’hydrogène, à l’état gazeux, a le gros défaut de ne pas être «compact » : un litre d’essence a le même pouvoir énergétique que… 1 500 litres d’hydrogène à pression ambiante ! C’est pourquoi l’usage de ce gaz suppose un transport et un stockage à haute pression. A 700 bars, par exemple, un litre d’essence équivaut à trois litres d’hydrogène. C’est la solution couramment admise dans l’automobile et pour les applications stationnaires. Pour aller plus loin en réduction de volume, il faut livrer le gaz sous forme liquide à -253° C. Si la production de froid est contraignante, en revanche le stockage et le transport se trouvent simplifiés du fait de la faible pression dans les réservoirs. C’est pourquoi, BMW promeut cette solution sur ses concept-cars.

Une solution très avantageuse est de stocker l’hydrogène sous forme d’hydrures, métalliques ou liquides. Ces composés, inertes à température ambiante, se comportent comme des éponges à hydrogène et libèrent le gaz sous l’effet de procédés thermique ou catalytique. Ce mode de stockage parfaitement adapté au transport mais aussi dans les portables au simple regard de la sécurité : l’hydrogène est « libéré » au moment où l’on s’en sert. Ainsi, PSA qui teste cette solution sur un camion de pompier (l’exemple ne doit rien au hasard !) explique qu’en utilisant une solution aqueuse de borhydrure de sodium, le véhicule ne contient jamais plus 2,5 grammes d’hydrogène, soit l’équivalent d’un verre d’essence. Seul inconvénient : la faible densité massique en hydrogène, de 2 à 8% selon le type d’hydrure.

Le programme européen StorHy (6ème PCRD) contient un volet important consacré au stockage sous forme d’hydrures, en particulier dans l’optique de mettre au point les composés les plus légers, à base de magnésium, de lithium, d’aluminium… Plus récemment est apparue une technologie danoise (société Amminex A/S), destinée à des piles de faible puissance et qui simplifie radicalement le rechargement. Ce sont des pastilles solides gorgées d’ammoniac (NH3) adsorbé par du chlorure de magnésium. Le composé est stable et libère, par passage au travers d’un filtre catalytique, 10% de sa masse en hydrogène.

Partout, la recherche s’intensifie et la technologie gagne en maturité. La normalisation en matière de sécurité de stockage et de transport avance. Des réservoirs d’hydrogène conformes à la norme ISO11439 sont déjà fabriqués par des sociétés comme Quantum. Il reste encore à mettre la technologie à portée des voitures, à convaincre le législateur d’adapter la réglementation, aujourd’hui défavorable à l’hydrogène, et à gagner la confiance des utilisateurs.

Thierry Mahé et Ridha Loukil

http://www.industrie-technologies.com

Comment la pile à combustible fonctionne

La pile à combustible fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau, inventé par l’électro-chimiste britannique William Grove en 1839. Le cœur comprend une anode (électrode positive) et une cathode (électrode négative), séparées par un électrolyte (un matériau qui bloque le passage des électrons). Grâce au catalyseur (platine couvrant les surfaces actives des électrodes), l’hydrogène (pur ou issu du méthanol) se combine avec l’oxygène (contenu dans l’air), générant à la fois eau, chaleur et électricité. Souvent l’eau ainsi produite s’évacue naturellement dans l’air sous forme de vapeur. La pile au méthanol produit en plus du CO2.

Principe de la pile à hydrogène : http://www.educnet.education.fr

Paysage d'Islande Sur cette île de l’Atlantique septentrional, l'espoir de voir disparaître la pollution automobile n'est plus vain. Progressivement, tous les véhicules devraient fonctionner avec une pile à hydrogène qui rejette uniquement de la vapeur d'eau. Les importantes ressources en énergies renouvelables du pays facilitent ce projet.

En Islande, l'automobiliste soucieux de l'environnement trouvera bientôt dans les stations-service un combustible alternatif supérieur au sans plomb. En effet, il pourra s'y approvisionner en hydrogène qui n'émet dans l'atmosphère ni gaz carbonique ni autres gaz polluants, puisque le moteur électrique qui fonctionne avec ce combustible ne laisse guère derrière lui que de l'eau.

Les Islandais ne sont pas les seuls à expérimenter les propriétés de l'hydrogène. Cependant, il semble bien que ce pays garde le monopole du moteur fonctionnant avec une pile combustible, appelé à remplacer le moteur thermique.

Cette perspective résulte d'une collaboration entre la société islandaise Vistorka, le constructeur automobile Daimler-Chrysler, la société pétrolière norvégienne Hydro et Shell, Les quatre partenaires ont créé la société Iceland Hydrogen and Fuel Cell Company qui, en collaboration avec le gouvernement islandais et les chercheurs de l'université de Reykjavik, travaille à la transformation des transports de l'île, qui devrait s'effectuer d'ici vingt-cinq à trente ans.

Si le gouvernement islandais soutient le projet, c'est notamment qu'il espère que le pays exportera ses technologies et son savoir-faire, comme il le fait actuellement dans le domaine de la géothermie.

Une pile marchant par recombinaison d'oxygène et d'hydrogène

L’hydrogène pourrait constituer un vecteur énergétique de l'avenir et l'Islande compte bien se placer au premier rang mondial. En effet, d'une part les réserves de carburants fossiles ne sont pas éternelles et d'autre part on sait que le moteur à hydrogène est beaucoup plus respectueux de l'environnement que le moteur thermique, puisqu'il permet d'éviter les émanations de gaz carbonique et l'effet de serre.

Le coeur du moteur à hydrogène est une pile à combustible qui fonctionne suivant le modèle d'une centrale électrique, avec un apport d'hydrogène et d'oxygène, l'oxygène étant prélevé directement dans l'air extérieur. Au contact chimique de l'oxygène, l'hydrogène produit de l'eau. Ce processus dégage de l'énergie sous forme d'électricité qui fait tourner le moteur.

Le principe de fonctionnement de la pile à combustible est connu depuis 1839, date à laquelle le Britannique William Robert Grove en construisit le premier modèle en laboratoire. En 1953, les travaux du Britannique F.T Bacon conduisirent au premier prototype qui permit la construction de la pile à hydrogène des missions spatiales Apollo. La pile à hydrogène en est aujourd'hui à un stade avancé de développement.

Fabriquer de l'hydrogène à partir de méthanol

Il reste pourtant encore bien des problèmes à résoudre. Alors que l'oxygène peut être apporté à la pile en étant prélevé dans l'atmosphère, l'apport d'hydrogène est plus délicat, car son stockage est difficile. Sous forme de gaz, il exige de très grandes cuves sous pression. On pourrait utiliser de l'hydrogène liquide, ce qui pose un autre problème; l'hydrogène ne se liquéfie qu'à –253°C, ce qui exige une dépense énergétique très importante.

Lune des solutions envisagées pourrait être de fabriquer l'hydrogène à partir de méthanol. Une fois le méthanol stocké dans le réservoir du véhicule électrique, il serait transformé en hydrogène pour alimenter la pile à combustible. Les Islandais veulent faire de la production de méthanol un avantage pour l'environnement : une usine d'aluminium émet actuellement de fortes quantités de gaz carbonique, qui seraient récupérées et transformées en méthanol, par hydrogénation du monoxyde de carbone. On parviendrait ainsi à produire du méthanol tout en réduisant considérablement les rejets de gaz carbonique.

L’hydrogène pur se fabrique de plusieurs façons. L’une est l'électrolyse de l'eau qui permet de décomposer les deux éléments de celle-ci, oxygène et hydrogène. Ce processus est relativement coûteux en énergie, surtout pour les pays dépourvus d'énergie bon marché. Mais ce n'est pas le cas des Islandais.

Sur cette grande île volcanique, les énergies renouvelables sont multiples, bien que leur exploitation soit encore modeste : seuls 8 % de l'eau alimentent les centrales électriques et probablement à peine plus de l % de la chaleur provenant du sous-sol est exploité.

Fournie par l'activité volcanique intense de l'Islande, cette énergie géothermique sert à la production électrique et au chauffage domestique. Soixante-six pour cent des foyers utilisent cette source de chaleur sans que les limites de production soient encore atteintes.

Ce sont d'abord les autobus de Reykjavik qui fonctionneront à l'hydrogène. Les premiers effectueront les tests, avant que les 80 véhicules de transports collectifs se lancent sur les routes. Ensuite et progressivement, ce sera le tour du parc automobile de changer de combustible, puis celui des bateaux de pêche. Rappelons que le commerce et les produits de la pêche représentent les quatre-cinquièmes des exportations et une consommation d'énergie considérable.

Quand ces transformations seront terminées, l'Islande importera moins de pétrole et réduira ses rejets de gaz carbonique de 70% par rapport à aujourd'hui, Ce qui n'est pas rien, car bien que l'Islande, avec ses 265 000 habitants seulement, soit peu peuplé, son parc automobile et sa flotte sont importants. Le dernier recensement dénombrait 132 468 voitures, 1 483 bus et autocars et 796 bateaux de pêche.

Si tout se passe comme prévu, 1'lslande pourra donc tabler sur une substantielle économie. Une telle prouesse technologique mériterait, si elle se réalise, d'être imitée par d'autres pays puisqu'elle permettrait de résoudre en partie le problème préoccupant de la pollution urbaine. Dans cette perspective, l'Islande est une pionnière et son expérience pourrait avoir des conséquences importantes pour l'environnement de la planète.

(Science illustrée N° 121 d’octobre 1999)

La locomotive minière est le premier véhicule industriel à hydrogène au monde. On effectue présentement des essais afin de prouver qu'il est sécuritaire d'utiliser des piles à hydrogène dans les véhicules se déplaçant dans les mines souterraines. Ce projet est financé par le Fuelcell Propulsion Institute et par les LMSM-CANMET (Ressources naturelles Canada).

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LE CARBURANT DU XXIème SIÈCLE SERA VERT OU NE SERA PAS

par Myriam CHAPLAIN-RIOU

Adieu les sales énergies fossiles du passé, les carburants du XXIème siècle seront propres ou ne seront pas. Constructeurs automobiles, chercheurs, ingénieurs et raffineurs sont unis dans un même combat: propulser les voitures sans polluer dans les années 2000.

La pollution de l'air effraie. Dans les villes, les véhicules en sont les principaux responsables et des spécifications techniques très strictes vont être imposées aux carburants, essence comme gazole, et aux moteurs pour la protection de l'environnement en 2000 (Euro 2000) puis en 2005 (programme Auto-oil). Moins d'oxydes de soufre, de particules, d'oxydes d'azote, de CO2, de fumées noires et d'hydrocarbures "routiers" dans l'atmosphère, tel sera le credo du futur.

La réduction de la consommation fait aussi partie de ces recherches car des automobiles moins gourmandes polluent moins.

Globalement, en Europe, le secteur des transports représente aujourd'hui 20% de la consommation d'énergie et, au sein de ce secteur, la route détient une part de 83%.

Les constructeurs dépensent déjà des milliards pour prendre en compte ces contraintes de plus en plus sévères: normes Euro 3, sur le vieux continent, "Zéro pollution" en Californie, loi sur l'air et pastille verte en France.

De leur côté, les pétroliers planchent sur des carburants plus propres, comme le diesel mélangé avec de l'eau développé par le français Elf Aquitaine pour les poids-lourds et les autobus. Baptisé "Aquazole", ce diesel réduit fortement les émissions polluantes, moyennant une légère perte de puissance.

Pour s'adapter à ces normes vertes, et particulièrement à la production de carburant désulfuré, il faut aussi compter un milliard de francs d'investissement par raffinerie.

Compétition féroce pour la pile à combustible

Outre les nouveaux diesels, l'essor attendu de la voiture électrique, qui pèche encore par son manque d'autonomie et le faible nombre de bornes de recharge, du GPL (gaz de pétrole liquéfié), déjà très répandu en Italie, aux Pays-Bas et au Japon --tous les taxis de Tokyo en sont équipés--, et des voitures "hybrides" qui regroupent sous un même capot moteur électrique et à essence, ou formule GPL/essence, le XXIème siècle pourrait voir l'avènement de la pile à combustible.

De nombreux constructeurs américains, européens et japonais se livrent une compétition féroce pour produire le premier cette "automo-pile".

Le principe, déjà utilisé dans les fusées, consiste à produire de l'énergie électrique sans combustion grâce à une réaction électro-chimique entre hydrogène et oxygène, tout en ne rejetant que de la vapeur d'eau. Connue depuis le XIXème siècle, son principal défaut est le coût de fabrication et l'encombrement, l'hydrogène, stocké sous forme liquide, nécessitant de gros réservoirs cryogéniques.

Les piles des vols spatiaux réclament des quantités importantes d'or et de platine pour procéder à la réaction. Mais les constructeurs "phosphorent" pour diminuer les quantités nécessaires.

Le groupe germano-américain DaimlerChrysler prépare ainsi des expériences de transports en commun en Islande, Nissan espère pouvoir commercialiser à petite échelle sa voiture "à pile" en 2003. Renault a aussi présenté récemment une voiture expérimentale à traction électrique alimentée par pile à combustible et espère la commercialiser vers 2010.

D'autres, comme le canadien Ballard, travaillent sur un autre type de pile, la PEM (Proton Exchange Membrane), utilisant du Islande méthanol dont l'hydrogène est extrait par un catalyseur. Son inconvénient est de produire du CO2, deux fois moins cependant qu'un moteur à explosion. Son avantage: pouvoir se ravitailler aux pompes à essence au méthanol.