Aujourd'hui, le monde s'oriente vers un avenir énergétique durable. Bien que le vainqueur final reste inconnu, l'hydrogène s'impose comme un leader incontesté, offrant de nombreuses possibilités de production, de distribution et d'application de l'énergie. Pour percer le mystère des avantages des piles à combustible, commençons par expliquer ce qu'est une pile à combustible et ses différents types, puis découvrons leurs avantages et leurs inconvénients.
Les piles à combustible existent depuis plus de 150 ans et constituent une source d'énergie inépuisable, écologiquement sûre et disponible en permanence. Alors, pourquoi ne sont-elles pas encore utilisées partout ? Jusqu'à récemment, c'était à cause de leur coût. Leur fabrication était hors de prix. Ce n'est plus le cas aujourd'hui.
Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en courant électrique utilisable . Chaque pile à combustible possède deux électrodes : l'anode et la cathode. C'est au niveau des électrodes que se produisent les réactions chimiques génératrices d'électricité.
Chaque pile à combustible contient un électrolyte, qui transporte les particules chargées électriquement d'une électrode à l'autre, ainsi qu'un catalyseur, qui accélère les réactions aux électrodes. Bien que l'hydrogène soit le combustible le plus simple, les piles à combustible nécessitent également de l'oxygène. L'un des principaux avantages des piles à combustible est leur faible impact environnemental : la majeure partie de l'hydrogène et de l'oxygène nécessaires à la production d'énergie se mélange pour former un sous-produit inoffensif, principalement de l'eau.
Une seule pile à combustible produit une quantité négligeable de courant continu (CC). En pratique, plusieurs piles à combustible sont fréquemment empilées. Les concepts sont les mêmes, que ce soit dans une cellule ou un empilement. Voyons maintenant les avantages et les inconvénients des piles à combustible.
4 avantages et inconvénients des piles à combustible
Sir William Robert Grove, juge, inventeur et scientifique gallois, inventa la première pile à combustible en 1839. Il produisit de l'électricité et de l'eau en combinant de l'hydrogène et de l'oxygène en présence d'un électrolyte. Cette innovation, plus tard connue sous le nom de pile à combustible, ne générait pas suffisamment d'électricité pour être utile. Examinons donc certains des avantages et inconvénients de la pile à combustible.
Avantages
1. Aucune recharge nécessaire
Une pile à combustible n'a pas besoin d'être rechargée. Elle peut reproduire l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit alimentée en combustible.
2. Aucun problème de santé
Les piles à combustible ne sont pas dangereuses et ne causent pas de problèmes de santé car elles ne produisent pas de fumée ni de smog pendant leur fonctionnement.
3. Efficace
Les piles à combustible sont extrêmement efficaces, car elles peuvent transformer l'énergie chimique directement en énergie électrique. Comparées aux autres alternatives disponibles sur le marché, elles sont 60 % plus efficaces.
4. Sans pollution
Les piles à combustible n'ont aucun impact négatif sur la pollution atmosphérique. C'est l'un de leurs avantages les plus notables. L'absence de pièces mécaniques les rend totalement silencieuses, et donc sans pollution sonore.
Si l’hydrogène est utilisé comme carburant d’entrée, les seuls sous-produits observés sont l’eau, la chaleur et l’électricité, ce qui se traduit par une efficacité maximale et aucune émission de matières nocives.
Désavantages
1. Cher et non durable
Les piles à combustible présentent certes des avantages, mais aussi des inconvénients. Elles sont par exemple assez coûteuses et ont une durée de vie plus courte.
2. Difficile à stocker
Les piles à combustible sont difficiles à stocker car le combustible utilisé dans les piles doit être maintenu à un niveau de température et de pression spécifique.
3. Dangereux et dangereux
L'hydrogène est un carburant très inflammable, ce qui pose d'évidents problèmes de sécurité. Dans l'air, l'hydrogène gazeux brûle à des concentrations allant de 4 à 75 %.
4. Difficile à extraire
Bien qu'il soit l'élément le plus abondant de l'Univers, l'hydrogène n'existe pas seul ; il doit donc être extrait de l'eau par électrolyse ou isolé des combustibles fossiles à base de carbone. Ces deux méthodes nécessitent une quantité importante d'énergie.
Cette énergie peut être plus coûteuse que celle obtenue à partir de l'hydrogène lui-même. De plus, en l'absence de CCS, cette extraction nécessite souvent le recours à des combustibles fossiles, compromettant ainsi les atouts écologiques de l'hydrogène.
Quels sont les différents types de piles à combustible ?
Après avoir examiné les avantages et les inconvénients des piles à combustible, intéressons-nous maintenant aux différents types de piles à combustible. La principale distinction entre les piles à combustible réside dans le type d'électrolyte utilisé . Cette classification définit le type de :
- Processus électrochimiques qui se produisent dans la cellule
- Le type de catalyseurs nécessaires
- La plage de température à laquelle fonctionne la cellule
- Le carburant nécessaire et d'autres critères.
Ces propriétés influencent à leur tour les applications pour lesquelles ces piles sont les mieux adaptées. Plusieurs variétés de piles à combustible sont actuellement en cours de développement, chacune présentant ses propres avantages, limites et applications potentielles. Découvrez-en plus sur les différents types de piles à combustible ci-dessous.
1. Piles à combustible à membrane électrolytique polymère
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), également appelées piles à combustible à électrolyte polymère , présentent une densité de puissance élevée et un poids et un volume réduits par rapport aux piles à combustible conventionnelles. L'électrolyte des piles PEM est un polymère solide et leurs électrodes sont constituées de carbone poreux avec un catalyseur en platine ou en alliage de platine. Elles fonctionnent avec de l'hydrogène, de l'oxygène de l'air et de l'eau. Elles sont généralement alimentées par de l'hydrogène pur stocké dans des réservoirs ou des reformeurs.
Les piles à combustible PEM fonctionnent à basse température , généralement autour de 80 °C. Ce fonctionnement à basse température permet un démarrage rapide (avec un temps de préchauffage réduit) et limite l'usure des composants, ce qui accroît leur durabilité. Cependant, il nécessite l'utilisation d'un catalyseur à base de métal noble (généralement du platine) pour séparer les électrons et les protons de l'hydrogène, ce qui augmente le coût du système. Le catalyseur au platine étant particulièrement sensible à l'empoisonnement au monoxyde de carbone, un réacteur supplémentaire est nécessaire pour éliminer ce gaz si l'hydrogène est produit à partir d'un combustible hydrocarboné. Ce réacteur est également onéreux.
Les piles à combustible PEM sont principalement utilisées dans les transports et certaines applications stationnaires. Elles sont particulièrement adaptées aux applications automobiles telles que les voitures, les autobus et les poids lourds.
2. Piles pour carburant au méthanol direct
La plupart des piles à combustible fonctionnent à l'hydrogène, qui peut être injecté directement dans le système ou produit au sein de celui-ci par reformage de combustibles riches en hydrogène comme le méthanol, l'éthanol et les hydrocarbures. Cependant, les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) sont alimentées par du méthanol pur , généralement mélangé à de l'eau et injecté directement à l'anode de la pile.
Le méthanol possède une densité énergétique supérieure à celle de l'hydrogène, bien qu'inférieure à celle de l'essence ou du gazole. Les piles à combustible à méthanol direct (DMFC) s'affranchissent de nombreux problèmes de stockage de carburant qui affectent certains systèmes de piles à combustible. Étant liquide, comme l'essence, le méthanol est également plus facile à transporter et à distribuer au public grâce à nos infrastructures actuelles. Les DMFC sont fréquemment utilisées pour alimenter des appareils portables tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.
3. Piles pour combustible alcalin
Les piles à combustible alcalines (PAC) figurent parmi les premières technologies de piles à combustible inventées et furent les premières à être largement utilisées dans le programme spatial américain pour produire de l'énergie électrique et de l'eau à bord des engins spatiaux. L'électrolyte de ces piles est une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium , et l'anode et la cathode peuvent être constituées de divers métaux non précieux.
L'un des principaux défis posés par ce type de pile à combustible est sa sensibilité à l'empoisonnement au dioxyde de carbone (CO2). En effet, même des traces de CO2 dans l'air peuvent avoir un impact significatif sur les performances et la durabilité de la pile en raison de la production de carbonates. Les piles alcalines à électrolyte liquide peuvent fonctionner en mode recirculation, ce qui permet la régénération de l'électrolyte et contribue à atténuer les effets de la production de carbonates, mais introduit également des difficultés liées au courant de dérivation.
Les systèmes à électrolyte liquide présentent d'autres inconvénients, tels que des problèmes de mouillage, une corrosion accrue et des difficultés à contrôler les pressions différentielles. Les piles à combustible à membrane alcaline (AMFC) pallient ces difficultés car elles sont moins sensibles à l'empoisonnement au CO₂ que les piles à combustible à électrolyte liquide. Cependant, le CO₂ continue d'affecter leurs performances, et les performances et la durabilité des AMFC restent inférieures à celles des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (AMFC) sont étudiées pour des applications allant du watt au kilowatt. La tolérance au dioxyde de carbone, la conductivité et la durabilité de la membrane, le fonctionnement à haute température, la gestion de l'eau, la densité de puissance et l'électrocatalyse anodique constituent autant de défis pour les AMFC.
4. Cellules d'acide phosphorique
Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) utilisent de l'acide phosphorique liquide comme électrolyte (l'acide est contenu dans une matrice de carbure de silicium liée au téflon) et des électrodes en carbone poreux avec un catalyseur au platine. Le schéma ci-contre illustre les réactions électrochimiques qui se produisent dans la pile.
La pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) est considérée comme une pile à combustible contemporaine de « première génération ». C'est l'un des types de piles les plus aboutis et la première à avoir été commercialisée. Bien que ce type de pile à combustible soit généralement utilisé pour produire de l'énergie stationnaire, certaines PAFC ont été utilisées pour alimenter de gros véhicules tels que des autobus urbains.
Les piles à combustible à acide phosphorique (PAFC) sont plus résistantes aux impuretés présentes dans les combustibles fossiles reformés que les piles à membrane échangeuse de protons (PEM), qui sont facilement « empoisonnées » par le monoxyde de carbone. Ce dernier se fixe en effet au catalyseur de platine de l'anode, réduisant ainsi le rendement de la pile. Les PAFC affichent un rendement supérieur à 85 % lorsqu'elles sont utilisées pour produire simultanément de l'électricité et de la chaleur, mais leur rendement est moindre lorsqu'elles sont utilisées pour produire uniquement de l'électricité (37 % à 42 %).
Le rendement des piles à combustible à acide phosphoré (PAFC) est légèrement supérieur à celui des centrales à combustion, qui atteignent généralement environ 33 %. À poids et volume égaux, les PAFC sont également moins puissantes que les autres piles à combustible. De ce fait, elles sont généralement volumineuses et encombrantes. Les PAFC sont également coûteuses. Elles nécessitent une quantité de catalyseur au platine nettement supérieure à celle des autres types de piles à combustible, ce qui augmente leur coût.
5. Piles à combustible pour carbonate fondu
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) sont en cours de développement pour les centrales électriques au gaz naturel et au charbon, ainsi que pour les applications industrielles, militaires et de production d'électricité. Ces piles à combustible haute température utilisent un électrolyte composé de sels de carbonate fondus flottant dans une matrice céramique poreuse et chimiquement inerte d'oxyde de lithium-aluminium. Des métaux non précieux peuvent être utilisés comme catalyseurs à l'anode et à la cathode, car elles fonctionnent à des températures élevées de 650 °C (environ 1 200 °F).
Un autre avantage des piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) par rapport aux piles à combustible à acide phosphorique réside dans leur rendement supérieur . Associées à une turbine, les piles à combustible à carbonate fondu peuvent atteindre un rendement proche de 65 %, nettement supérieur aux 37 à 42 % obtenus avec une pile à combustible à acide phosphorique. Le rendement énergétique global peut dépasser 85 % grâce à la récupération et à l'utilisation de la chaleur résiduelle.
Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) ne nécessitent pas de reformeur externe pour convertir le gaz naturel et le biogaz en hydrogène. Fonctionnant à haute température, elles transforment le méthane et les autres hydrocarbures légers contenus dans ces combustibles en hydrogène au sein même de la pile, grâce à un procédé appelé reformage interne, ce qui permet également de réaliser des économies.
Le principal inconvénient de la technologie MCFC actuelle réside dans sa courte durée de vie . Les températures de fonctionnement élevées de ces cellules, associées à l'électrolyte corrosif utilisé, accélèrent la dégradation et la corrosion des composants, réduisant ainsi leur durée de vie. Les scientifiques étudient actuellement des matériaux résistants à la corrosion pour les composants, ainsi que des conceptions de piles à combustible capables de doubler leur durée de vie, actuellement de 40 000 heures (cinq ans), sans compromettre leurs performances.
6. Piles pour combustible à oxyde solide
Dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), l' électrolyte est une céramique dense et non poreuse . Les SOFC convertissent le combustible en électricité avec un rendement d'environ 60 %. Le rendement global d'utilisation du combustible peut dépasser 85 % dans les systèmes conçus pour récupérer et utiliser la chaleur résiduelle (cogénération).
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnent à des températures extrêmement élevées , jusqu'à 1 000 °C (1 830 °F). Ce fonctionnement à haute température élimine le besoin d'un catalyseur à base de métaux précieux, ce qui réduit les coûts. Il permet également aux SOFC de reformer les carburants en interne, ce qui leur permet d'utiliser une gamme plus étendue de carburants et de diminuer le coût d'ajout d'un reformeur au système.
Les SOFC sont également les piles à combustible les plus résistantes au soufre, capables de supporter des quantités de soufre bien supérieures à celles des autres types de piles. De plus, elles ne sont pas affectées par le monoxyde de carbone, qui peut même être utilisé comme combustible. Cette caractéristique permet aux SOFC d'utiliser du gaz naturel, du biogaz et des gaz dérivés du charbon. Leur fonctionnement à haute température présente toutefois des inconvénients.
Ce procédé entraîne un démarrage retardé et nécessite un blindage thermique important pour conserver la chaleur et protéger les employés, ce qui convient aux applications industrielles mais pas au transport. En raison des températures de fonctionnement élevées , les matériaux doivent répondre à des normes de durabilité très strictes. La principale difficulté technique de cette technologie réside dans le développement de matériaux économiques et très résistants aux températures de fonctionnement des cellules.
Les scientifiques étudient actuellement la possibilité de construire des SOFC à basse température, fonctionnant à 700 °C ou moins, présentant moins de problèmes de durabilité et étant moins coûteuses. Les SOFC à basse température n'ont pas encore atteint les performances des systèmes à haute température, et les matériaux de pile pour cette plage de températures inférieures sont encore en cours de développement.
7. Piles à combustible réversibles
Les piles à combustible réversibles, comme les piles à combustible classiques, produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, tout en générant de la chaleur et de l'eau comme sous-produits. Les systèmes de piles à combustible réversibles, quant à eux, peuvent utiliser l'électricité solaire, éolienne ou d'autres sources pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène par un procédé appelé électrolyse.
Les piles à combustible réversibles peuvent produire de l'électricité à la demande, mais lors des pics de production d'énergie provenant d'autres technologies (par exemple, en cas de vents forts entraînant un surplus d'énergie éolienne disponible), elles peuvent stocker l'énergie excédentaire sous forme d'hydrogène. Cette capacité de stockage d'énergie pourrait révolutionner le secteur des énergies renouvelables intermittentes. Voyons maintenant le principe de fonctionnement des piles à combustible.
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Quel est le principe de fonctionnement d’une pile à combustible ?
Après avoir découvert les avantages des piles à combustible, il est important de comprendre leur principe de fonctionnement. Une pile à combustible est composée de deux électrodes, une anode et une cathode, séparées par une membrane électrolytique. L'hydrogène, le méthane, l'éthane, l'éthanol et d'autres combustibles organiques peuvent être utilisés dans une pile à combustible pour produire de l'électricité. Ces combustibles subissent une combustion incomplète et dégagent de la chaleur . La plupart de ces réactions sont de type oxydoréduction et produisent de l'eau et du dioxyde de carbone.
Le transport d'électrons lors des réactions d'oxydoréduction entraîne la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. Un électrolyte est placé entre les électrodes. Le combustible est acheminé vers chaque électrode séparément. Supposons que, dans une pile à combustible, l'hydrogène soit acheminé vers l'anode et l'air vers la cathode. Dans ce cas, le catalyseur situé côté anode de la pile a tendance à décomposer les molécules d'hydrogène en particules plus petites, telles que des protons et des électrons.
Les deux éléments tentent de se déplacer vers la cathode par des voies distinctes. Les électrons empruntent un canal externe jusqu'à la cathode, fournissant du courant, tandis que les protons traversent la membrane électrolytique jusqu'à la cathode, où ils réagissent avec les molécules d'oxygène et les électrons pour former de l'eau et de la chaleur comme sous-produits.
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Énumérez quelques applications des piles à combustible
Examinons dix utilisations des piles à combustible à hydrogène, dont certaines que vous ne connaissez peut-être pas !
1. Gestion d'entrepôt : Plusieurs grandes entreprises d'entreposage et de distribution se tournent vers les piles à combustible à hydrogène pour alimenter des camions, des chariots élévateurs, des transpalettes et d'autres équipements propres.
2. Distribution internationale : Les piles à combustible offrent l’autonomie et la puissance nécessaires au transport longue distance et à la distribution locale. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth et UPS produisent déjà des semi-remorques et des fourgonnettes à hydrogène.
3. Autobus : L’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie est à l’étude pour différents modes de transport public, notamment les autobus à pile à combustible. Plusieurs grandes villes ont expérimenté des autobus à hydrogène, dont Chicago, Vancouver, Londres et Pékin.
4. Trains : Les trains à pile à combustible à hydrogène sont désormais arrivés en Allemagne, et d'autres types devraient arriver au Royaume-Uni, en France, en Italie, au Japon, en Corée du Sud et aux États-Unis au cours des cinq prochaines années.
5. Véhicules individuels : Neuf grands constructeurs automobiles travaillent sur des véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène (VEPH) destinés aux particuliers. La Toyota Mirai, la Honda Clarity, le Hyundai Nexo et la BMW iHydrogen Next figurent parmi les modèles les plus connus.
6. Avions : Plusieurs projets expérimentaux, dont les prototypes Pathfinder et Helios, ont étudié l’utilisation des piles à combustible à hydrogène dans le domaine aérospatial. Ces véhicules sans pilote à longue portée utilisaient un système hybride avec des piles à combustible à hydrogène alimentées par des panneaux solaires, permettant théoriquement un vol continu de jour comme de nuit, sans limitation de durée.
7. Production d'énergie de secours : Les piles à combustible stationnaires sont utilisées dans les systèmes d'alimentation sans interruption (ASI) où la continuité de service est essentielle. Les hôpitaux et les centres de données se tournent de plus en plus vers l'hydrogène pour leur alimentation sans interruption. Microsoft a récemment fait parler de lui grâce à un test concluant de ses nouveaux générateurs de secours à hydrogène, qui ont permis à un serveur de centre de données de fonctionner exclusivement à l'hydrogène pendant deux jours.
8. Production d'énergie mobile : L'hydrogène offre de nombreuses possibilités pour la production d'énergie mobile. La NASA, d'ailleurs, a produit certaines des premières piles à combustible à hydrogène pour alimenter les fusées et les navettes spatiales dans l'espace.
9. Véhicules aériens sans pilote (UAV) : De nombreuses applications innovantes des drones, allant de la livraison de colis aux missions de recherche et de sauvetage, sont fortement limitées par la puissance et l’autonomie des batteries classiques. Les secteurs militaire et privé entendent remédier à ces problèmes grâce aux piles à combustible à hydrogène, dont l’autonomie est jusqu’à trois fois supérieure à celle des appareils alimentés par batterie. Les piles à combustible offrent un meilleur rapport énergie/masse et peuvent être rechargées en quelques minutes.
10. Bateaux et sous-marins : Les piles à combustible à hydrogène sont utilisées dans diverses applications marines. Certains bateaux, comme l’Energy Observer, produisent même leur propre hydrogène pour un système de pile à combustible grâce à des panneaux solaires et des éoliennes embarqués. Les piles à combustible à hydrogène constituent une alternative à l’énergie nucléaire pour les sous-marins militaires furtifs tels que le Type 212 allemand, offrant une grande autonomie, un fonctionnement silencieux et de faibles émissions de chaleur.
Les piles à combustible représentent une alternative prometteuse aux carburants automobiles actuels. Bien que certains aspects de cette technologie, comme le stockage embarqué efficace, nécessitent encore des développements, rien n'empêche les piles à combustible de devenir un carburant aussi pratique et attractif que le diesel ou l'essence aujourd'hui. J'espère que cet article vous a permis de comprendre les avantages et les inconvénients des piles à combustible. N'hésitez pas à partager vos questions dans la section commentaires.
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