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RDT info logoMagazine de la recherche européenne N° 42 - Août 2004   
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ENERGIE DURABLE
Title  Côté piles

Les recherches sur de multiples technologies de piles à combustible sont en effervescence. Cette diversification ouvre la voie à de nombreuses offres d'énergie non polluante, qui vont des véhicules aux centrales électriques, en passant par des applications portables.

Découvert dès 1839, le principe de la pile à combustible est extrêmement simple. Deux électrodes reliées extérieurement par un circuit électrique et séparées par un électrolyte sont alimentées, en présence d'un catalyseur, l'une par de l'hydrogène – qui fait office de combustible –, l'autre par de l'oxygène atmosphérique. L'atome d'hydrogène à l'anode se scinde en formant un proton ou ion H+, chargé positivement, et un électron. L'ion migre à travers l'électrolyte vers la cathode, où il se combine avec l'oxygène pour former de l'eau (et un dégagement de chaleur), tandis que l'électron parcourt le circuit électrique en donnant naissance à un courant.Sa mise en application varie toutefois beaucoup selon la forme d'hydrogène amenée à l'anode (ce peuvent être des éléments chimiques contenant de l'hydrogène) et la nature des électrolytes.
Découvert dès 1839, le principe de la pile à combustible est extrêmement simple. Deux électrodes reliées extérieurement par un circuit électrique et séparées par un électrolyte sont alimentées, en présence d'un catalyseur, l'une par de l'hydrogène – qui fait office de combustible –, l'autre par de l'oxygène atmosphérique. L'atome d'hydrogène à l'anode se scinde en formant un proton ou ion H+, chargé positivement, et un électron. L'ion migre à travers l'électrolyte vers la cathode, où il se combine avec l'oxygène pour former de l'eau (et un dégagement de chaleur), tandis que l'électron parcourt le circuit électrique en donnant naissance à un courant.Sa mise en application varie toutefois beaucoup selon la forme d'hydrogène amenée à l'anode (ce peuvent être des éléments chimiques contenant de l'hydrogène) et la nature des électrolytes.
La pile à combustible (PaC) est une "très vieille innovation". Très simple, le principe de base de son fonctionnement a été découvert et démontré, dès 1839, par le physicien anglais William Grove (voir schéma). Pendant plus d'un siècle, la primauté du développement des machines thermiques et des accumulateurs électriques éclipsa cependant cette invention. Celle-ci ne fut plus guère étudiée en dehors de certains développements en laboratoire, restés sans écho.

Coup de pouce venu de l'Espace
La première, la recherche spatiale remettra à l'honneur l'usage contemporain des PaC. Dans les années '60, la NASA choisit, en effet, de se tourner vers des générateurs de ce type pour équiper les engins des programmes Gemini et Apollo. Le développement des technologies très spécifiques des PaC utilisées dans l'Espace n'a cessé de progresser et de s'appliquer depuis lors.

A partir des décennies '70 et '80, cette démonstration spatiale a conduit, surtout outre-Atlantique et au Japon, à un intérêt croissant pour cette filière, en particulier dans le monde de l'automobile et pour diverses applications dites "stationnaires". Ces recherches ont ouvert une grande diversification des options technologiques. Outre l'alimentation classique des premières piles nécessitant de l'hydrogène pur (obtenu par électrolyse), se sont développées des PaC fonctionnant avec de l'hydrogène produit par reformage d'hydrocarbures (essence, gaz naturel, éthanol), mais également à partir de méthanol provenant de la biomasse et du gaz carbonique. Cet élargissement du spectre des combustibles diminue certes la "propreté" du procédé, en réintroduisant des émissions de carbone, mais sans commune mesure toutefois avec les nuisances des moteurs à combustion interne. En revanche, le reformage a considérablement accru l'intérêt des piles à combustible en autorisant des processus de production d'hydrogène largement répandus et maîtrisés sur le plan industriel.

Une famille nombreuse
Par ailleurs, la diversification porte sur les types d'électrolyte à travers lesquels transitent les ions H+ ou O-, en fonction du type de PaC. On trouve ainsi des piles à potasse alcaline (développées principalement dans le secteur spatial), à l’acide phosphorique (technologie la plus "mature" à l'heure actuelle, mais limitée dans ses applications), à membrane polymère, à carbonates fondus, à oxyde solide. Chaque catégorie présente des propriétés spécifiques du point de vue de l'alimentation en combustible, des températures de fonctionnement et des applications en découlant.

Les progrès les plus prometteurs – sur lesquels se sont concentrés les programmes européens (voir box) – concernent d'abord la famille des membranes polymères (dite PEMFC*). Ce type de PaC peut être alimenté à l'hydrogène pur ou reformé, avec des températures de fonctionnement comprises entre 80°C et 100°C. Il équipe en particulier les principaux prototypes automobiles attendus prochainement sur le marché ainsi que des applications stationnaires de petite puissance, notamment dans le secteur résidentiel.

Technologie des piles à combustiblePartie supérieure : combustibles et types de piles – Partie inférieure : applications
Technologie des piles à combustiblePartie supérieure : combustibles et types de piles – Partie inférieure : applications


Une seconde catégorie de piles à membrane polymère, dont le combustible est le méthanol (DMFC*), intéresse plus particulièrement les applications "portables" de faible puissance (téléphonie mobile, informatique, etc.). Son développement se heurte cependant, à l'heure actuelle, à un certain nombre d'obstacles technologiques.

Fonctionnant à des températures beaucoup plus élevées (600 à 1 000°C), les PaC à carbonate (MCFC*) et à oxyde solide (SOFC*) sont en compétition pour le développement d'unités de forte puissance permettant la cogénération d'électricité et de chaleur, ainsi que pour des applications maritimes. Elles présentent des rendements élevés et peuvent être alimentées avec des combustibles variés – méthane, méthanol, biogaz, charbon gazéifié.

* Lexique des sigles de Piles à combustible (Fuel Cell - FC)

  • AFC (Alkalin) : Alcaline (surtout dans le créneau spatial)
  • PEMFC (Polymer Exchange Membran) : à membrane polymère échangeuse de protons
  • DMFC (Direct Methanol): au méthanol direct
  • PAFC (Phosphoric Acid): à l'acide phosphorique
  • MCFC (Molten Carbonate) : à carbonates fondus
  • SOFC (Solid Oxyd) : à oxyde solide

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Dossier 1 2 3 4
  Recherches européennes en crescendo

L'Europe s'est investie de plus en plus substantiellement dans l'enjeu des piles à combustible depuis une dizaine d'années. Au niveau de l'Union, de nombreux projets de R&D et de démonstration leur ont été consacrés dans le quatrième programme-cadre (1994-1998), appuyés par une aide financière de 54 millions €.

Le projet Fuero rassemble  les principaux constructeurs automobiles européens (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo et Volkswagen).
Le projet Fuero rassemble les principaux constructeurs automobiles européens (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo et Volkswagen).


Cette impulsion s'est poursuivie dans le programme suivant (1998-2002) où quelque 150 millions € ont été apportés en soutien à quelque 70 projets consacrés aux PaC et à l’hydrogène. La plupart des projets sur les PaC étaient spécifiquement ciblés sur la technologie des électrolytes à membrane polymère, actuellement la plus prometteuse en termes de marché. L'enjeu est notamment de mettre au point des piles à membrane (PEMFC et DMFC) fonctionnant à des températures plus élevées (de 80 à 180°C) que les PaC développées jusqu'ici, ce qui en améliorerait les performances tout en en diminuant le coût.

Pour optimiser au maximum les travaux de ces nombreux projets, souvent très ciblés, les programmes européens soutiennent particulièrement les regroupements et les réseaux cherchant à intégrer les différentes approches et leurs résultats. Ces synergies nouvelles devraient permettre de déboucher sur des développements en direction du marché. Ainsi, dans le projet Fuero, un consortium rassemblant les principaux constructeurs automobiles européens (Fiat, Peugeot-Citroën, Renault, Volvo et Volkswagen) s'efforce d'évaluer et de tirer parti des recherches d'un cluster de neuf projets travaillant sur les PaC, de procéder à des tests, de clarifier les spécifications de performance, de développer des outils de modélisation. De même, le réseau SOFCnet, consacré à la coordination des recherches et des applications dans le domaine des piles à oxyde solide regroupe, depuis 2003, une cinquantaine d'organismes de recherche et d'utilisateurs industriels.

Ces piles SOFC sont d'une importance croissante pour les applications stationnaires à haute température en raison de leur rendement très élevé, pouvant atteindre 70%. Elles sont au cœur du nouveau projet intégré Real SOFC, doté d'un soutien européen de 9 millions € dans le cadre de la première sélection de propositions de recherche sur les PaC du sixième programme-cadre (2003-2006). Cette sélection a également retenu trois autres projets intégrés concernant les piles solides à polymère (PEMFC), qui bénéficieront d'un financement de près de 15 millions €. Il s’agit des projets Hytran, Furium et Morepower.

  Vers l'Internet de l'énergie

Comportant neuf partenaires européens emmenés par l'industriel allemand du chauffage Vaillant Gmbh, l'initiative de démonstration Virtual FC Power Plant vise à tester la faisabilité de micro-centrales à PaC. Celles-ci doivent pouvoir fournir l'électricité, la chaleur et l'air conditionné dans un réseau interconnecté d'immeubles résidentiels, de PME et de bâtiments publics. D'un coût de 8,5 millions €, le projet est soutenu à hauteur de 3,1 millions € par l'UE. "En mai 2004, notre bilan s'établit déjà à 29 micro-centrales opérationnelles en Allemagne, aux Pays-Bas, en Espagne et au Portugal", souligne Alexander Dauensteiner, son coordinateur. "Elles ont produit globalement 160 MWh d'électricité et plus de 300 MWh de chaleur."

Cette expérience est particulièrement intéressante car elle représente une préfiguration d'une sorte d'Internet de l'Energie. Ces installations décentralisées, dotées d'un système de gestion commun, satisfont leurs besoins propres mais peuvent aussi compenser entre elles les pointes de demande énergétique, et même délivrer leur offre en surplus aux réseaux publics.

Projet Virtual FC Power Plant : présentation à la presse de la micro-centrale PaC d'un immeuble résidentiel à Remscheid (DE).
Projet Virtual FC Power Plant : présentation à la presse de la micro-centrale PaC d'un immeuble résidentiel à Remscheid (DE).


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