Piles à combustible : c’est pour aujourd’hui ou pour demain ?

Une pile à combustible est une pile – ou un générateur de courant – qui produit de l’électricité par la réaction chimique suivante : l’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur (cela peut être de l’hydrogène) simultanément à la réduction sur l’autre électrode d’un oxydant (par exemple, l’oxygène). L’énergie produite par cette réaction est ensuite transformée en courant électrique de façon continue, c’est en cela qu’elle se distingue d’une pile classique. Cette transformation est opérée au moyen d’un catalyseur : le platine ; un métal de transition qui a pour vertu d’accélérer l’oxydation de l’hydrogène.

Le principe de la pile à combustible date de 1939. On doit cette découverte à l’allemand Christian Schönbein et à l’anglais Sir William Grove. Néanmoins, il s’écoulera une centaine d’années avant qu’une application de ce principe soit mise en pratique. C’est au cours des années 60, dans le cadre des programmes spatiaux GEMINI et APOLLO que les premières piles ont vus le jour, destinées aux capsules de vol. L’eau produite par les générateurs de courant servait alors à alimenter les astronautes. Depuis, les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile – principalement – développent son utilisation.

Des avantages uniques

Les piles à combustible stockent trois fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion et disposent d’une autonomie très appréciable. Contrairement aux piles classiques, elles ne se déchargent pas si l’on ne s’en sert pas. De plus, elles supportent de fortes variations de température et peuvent avoir une longue durée de vie. Cela peut aller jusqu’à plusieurs années.

L’hydrogène est une ressource non polluante et disponible en quantité bien qu’on n’en trouve pas à l’état naturel. Une pile à combustible ne rejette que de la vapeur d’eau, le taux d’émission en CO2 est donc nul. Si vous aviez des doutes concernant les vertus écologiques de la pile à combustible, balayez-les d’un revers de main. Il s’agit bel et bien d’une énergie verte et qui plus est sans bruit. À l’intérêt environnemental s’ajoute donc l’absence de nuisances sonores.

La légèreté des piles permettrait dans certains cas un gain de masse offrant ainsi aux véhicules pourvus de cette technologie une diminution de la consommation de carburant.

Pourquoi leur utilisation n’est-elle pas encore généralisée ?

Et bien parce que la recherche avance, mais pas forcément assez vite. Ensuite, aussi parce que la viabilité industrielle demeure trop faible par rapport au rendement de cette technologie. Les étapes de fabrication étant très nombreuses. Or, c’est un point clé qui conditionne les investissements. Cependant, la recherche avance et l’amélioration des rendements incite toujours plus les entreprises à passer le pas.

En outre, le catalyseur a un coût relativement élevé. Le platine, généralement utilisé pour l’accélération de l’oxydation, se révèle être une denrée précieuse par son caractère limité. Or c’est bien connu, ce qui est rare est cher. Le prix du métal dépasse d’ailleurs celui de l’or. Cela a un impact direct sur le prix d’une pile à combustible puisqu’il représente 25 % de son coût total.

Pour qu’il y ait oxydation, de l’hydrogène est nécessaire. Or l’hydrogène n’est pas disponible naturellement. Présent dans l’eau ou l’ammoniaque, ce gaz est obtenu par électrolyse. Un procédé, pensé en 1800 par les chimistes anglais William Nicholson et Sir Anthony Carslile, consistant à décomposer l’eau en ions d’hydroxyde et d’hydrogène au moyen d’un courant électrique. Mais voilà, l’utilisation de cette méthode n’est pas encore courante. À l’heure actuelle, la majorité de la production d’hydrogène découle de la décomposition d’hydrocarbures. Malheureusement cette technique s’avère fortement polluante. Sans compter les risques non négligeables liés à l’usage d’un tel gaz, notamment le risque d’explosion en raison de son inflammabilité. Enfin, il présente à nos chercheurs la difficulté de le stocker. Il s’agit d’un vrai problème.

Quelles applications ?

ils sont nombreux et variés ! La pile à combustible sert, entre autres, pour l’alimentation des téléphones portables, l’automobile et plus généralement pour le transport, l’alimentation électrique des satellites, l’aérospatial, l’aéronautique, la production électrique stationnaire… Les piles à hydrogènes inspirent les constructeurs parmi lesquels on peut citer Daimier, Ford, Honda, Hyundai, Mercedes ou encore General Motors.

Son utilisation est classée en trois grandes familles. Les piles à combustible embarquées destinées au transport. Elles équipent ainsi les véhicules légers et les véhicules lourds. Les piles à combustible stationnaires, elles-mêmes déterminées en deux catégories : la production individuelle (de 200 kW à plusieurs MW) et la production collective (de 2 à 7 kW). Les projets, dans lesquelles elles sont inscrites (par exemple, celui d’EDF d’alimenter un groupe HLM) fonctionnent bien souvent par cogénération. Il reste les piles à combustible miniaturisées. Ici, ce sont les téléphones portables, le rechargement des batteries qui rentrent dans ce domaine d’application.

Des tests combinant la technologie des piles à combustible avec une batterie hybride lithium-ion seraient en cours sur des avions afin de les faire voler. Toutefois, bien que l’idée soit séduisante, ce sujet d’étude semble loin d’être exploitable pour le moment.

La start-up nommée Pragma Industries, située à Bidart, vient d’inventer la première machine à bobiner des piles à combustible. Leurs piles ont pour objectif d’alimenter des vélos électriques, des outils portatifs et mobiles ainsi que des groupes électrogènes. Pierre Forté, le PDG de la PME, estime que le marché des vélos électrique, en pleine expansion, devrait quadrupler d’ici 2017.

La société israélienne CellEra s’est faîte connaître récemment pour son invention d’une pile à combustible  » révolutionnaire « . Cette start-up serait parvenue à passer outre l’utilisation de platine pour accélérer l’oxydation de l’hydrogène via un procédé vraisemblablement déjà connu mais dont elle serait la première à l’avoir élaboré. Ce qui change, ce sont les électrolytes. CellEra utilise un électrolyte polymère solide permettant la conduction d’ions OH- en milieu alcalin là ou ses concurrents s’appuient habituellement sur des piles à membrane pour lesquels les électrolytes liquides sont nécessaires au fonctionnement. À la place du platine, on retrouve des métaux moins onéreux qui offrent un avantage économique indéniable !  Pour info, pas moins de sept brevets sont en cours de dépôt. Grâce cette technologie, CellEra compte bien ouvrir de nouvelles perspectives quant à la fabrication de piles à grande échelle. Ses collaborations avec Vodafone et Volkswagen ainsi que le développement de nouvelles applications, à priori tournées vers les stations de télécommunication, devraient lui assurer un bel avenir.

Des innovations à la pelle

Depuis 2011, la start-up new-yorkaise SiGNa Chemistry propose un chargeur de smartphones un peu spécial… Il s’agit d’un chargeur équipé de mini-piles à combustibles appelées PowerTrekk capable de produire de l’électricité par ajout d’eau, voire d’urine. Ne riez pas, l’armée estime même que le package d’un soldat pourrait être réduit de 11 kilos grâce à cette technologie. La maniabilité, le faible poids de transport (une minuscule cartouche d’hydrogène) et surtout la possibilité de recharge n’importe ou en font un outil attractif dont l’armée pourrait envisager l’utilisation prochaine. SiGNa Chemistry tourne désormais sa recherche sur la recharge d’appareils électroniques plus importants.

Le constructeur Hyundai a dévoilé lors du salon de l’automobile de Genève son premier modèle ix35 à hydrogène de série. Destiné au grand public d’ici 2015, date à laquelle débutera la production de 10 000 unités, ce modèle fonctionnera à la pile à combustible et sera donc totalement écologique. Pour mieux connaître la future Hyundai, voici quelques chiffres. Elle disposera de deux réservoirs hydrogènes, d’un moteur de 136 chevaux, d’une batterie en lithium-ion polymère de 24 kW et pourra rouler plus de 594 kilomètres par recharge. Cette alternative aux carburants traditionnels aurait déjà séduit quelques responsables européens.

Panasonic est un acteur majeur de la recherche sur les piles à combustible. On se souvient de l’annonce deux ans auparavant de l’ouverture d’un centre de R&D en Allemagne. La société nippone conçoit et développe depuis 1999 des piles à combustible à micro-cogénération qui ont la particularité de produire de l’électricité tout en se servant de la chaleur générée par le processus. Une méthode efficace qui ne laisse plus de place au gaspillage d’énergie.

La pile à combustible est une technologie qui n’a jamais vraiment cessée de faire l’objet de recherches. Les techniques progressent constamment. On remarque toutefois qu’elles ont tendance à s’intensifier avec l’arrivée des starts-up qui leur permettent d’acquérir un second souffle. SiGNa Chemistry et CellEra en sont les parfaits illustrateurs. Le développement des piles vers de nouvelles applications toujours plus ambitieuses est en bonne voie. Dans un processus de collaboration, les entreprises échangent et s’ouvrent à des perspectives réjouissantes en poussant des concepts connus tels que la voiture et le vélo électrique, l’alimentation de téléphones portables et d’objets plus lourds (ordinateurs portables) ou encore la cogénération.

Ces entreprises font office de catalyseur comme le platine l’est pour la réaction chimique. Le rendement et la puissance des piles à combustible sont en hausse significative. Les perspectives en termes d’innovation paraissent donc plus folles. Tout ça bien sûr en raison de multiples qualités. Le fait notamment qu’elle propose une alternative séduisante aux carburants traditionnels et puisse avoir un réel impact environnemental, qu’elle offre de bons rendements énergétiques et soit peu encombrante. Présentée comme une source d’énergie révolutionnaire à l’époque, la pile à combustible trouve aujourd’hui une utilisation, potentielle ou concrète, dans des domaines divers et variés. Ce qui est sûr, c’est qu’elle n’a pas fini de révéler ses possibilités.

Par Sébastien Tribot

sources :

http://pileacombustible.free.fr/historique.htm

http://www.autodeclics.com/article/47482-quel_avenir_pour_la_pile_a_combustible.html

http://www.enerzine.com/14/15116+le-marche-des-piles-a-combustible-stationnaires-semble-lance+.html

http://www.enerzine.com/14/12549+panasonic-mise-sur-les-piles-a-combustible-residentielles+.html

http://siliconwadi.fr/6172/une-startup-israelienne-invente-une-pile-a-combustible-revolutionnaire

http://aviondufutur.e-monsite.com/pages/l-electricite-dans-l-avion/les-piles-a-combustibles.html

http://www.actu-environnement.com/ae/news/filiere-francaise-hydrogene-piles-combustible-13694.php4