Pile à combustible à énergie hydrogène oxygène et eau

Sommaire

L'énergie solaire est propre et inépuisable, l'énergie hydrogène possède les mêmes qualités avec la capacité supplémentaire d'être concentrée. Ce gaz n'est pas présent dans la nature, car il est lié à des molécules comme l'eau ou le méthane, il faut donc l'extraire... en recourant aux hydrocarbures (gaz naturel, charbon), donc en rejetant du CO2 dans l’atmosphère.

L'énergie hydrogène

L'hydrogène est un moyen de stockage de l'énergie et non d'une source. Un vecteur que l'on ne sait encore produire à un prix concurrentiel, la recherche cherche à sortir de l'impasse. Il est déjà possible d'imaginer l'hydrogène dans l'habitat comme remplaçant du gaz naturel, de l'électricité.

La pile à combustible

Le principe de la pile à combustible a été démontré en 1839 par le Britannique Sir William GROVE. Il réalisa la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau, en utilisant des électrodes de platine poreux et de l'acide sulfurique comme électrolyte. Depuis cette découverte, l'intérêt porté à cette technologie a été très aléatoire. La Pile à Combustible aura donc mis plus de 100 ans pour passer du stade de l'invention à celui de l'innovation.

La pile à combustible est également appelée PAC bien qu'elle n'ait rien à voir avec la pompe à chaleur. Une véritable clé technologique promise à un développement futur très important. Le principe de l'appareil repose sur la formation d'un courant par dissociation des molécules d'hydrogène au contact d'une substance libératrice (un catalyseur), captés par une électrode, les électrons libérés du noyau d'hydrogène fournissent de l'énergie en alimentant un circuit électrique, tandis que les noyaux traversent une membrane poreuse derrière laquelle ils retrouvent leurs électrons et réagissent avec l'oxygène de l'air pour former de l'eau qui est la réaction nécessaire à la bonne marche de l'ensemble.

Principe de fonctionnement

Si le principe de fonctionnement d'une pile à combustible est simple, il reste certains problèmes de taille à résoudre : le coût de l'extraction, les émissions de CO2, le prix de revient du kWh généré, l'autonomie (dans le cas d'un véhicule), la rareté des stations-service délivrant de l'hydrogène et surtout la dangerosité de l'hydrogène, car il faut le stocker sous une énorme pression ou sous sa forme liquide à conserver à 250 °C sous zéro). Dans les deux cas, le réservoir devient une véritable bombe en cas de collision.
Ces dispositifs permettent en effet de produire de l’électricité à partir d’oxygène et d’hydrogène en ne rejetant que de l’eau. Des recherches sont en cours pour trouver la technique qui aura le meilleur rendement. Parmi elles, la pile dite à oxyde solide semble offrir de réelles qualités.

D’autant que des chercheurs du laboratoire « Sciences chimiques de Rennes », en collaboration avec une équipe de l’Institut Laue Langevin, à Grenoble, et de l’université de Kyoto, au Japon, ont mis au point un type particulier de pile à combustible qui fonctionne grâce à un nouvel oxyde qui s'avère très prometteur. Une couche d’oxyde métallique intercalée entre l’air et l’hydrogène, son rôle est de transférer les ions oxygène du premier vers le second. La transformation de l’hydrogène en eau produit alors la précieuse électricité.

Les piles que l’on parvient à réaliser actuellement ont un énorme inconvénient, car elles nécessitent un énorme apport de chaleur pour fonctionner (la production d'électricité ne démarre qu’à la température de 1 000 °C environ), elles se détériorent donc rapidement et offrent un intérêt réduit du fait que cet apport obligatoire d’énergie nuit à environnement.

La solution se trouve dans un nouveau composé, un oxyde constitué de fer et de strontium, de formule chimique SrFeO2 qui peut réagir avec ces mêmes ions oxygène dès 280 °C. Le potentiel est donc énorme et prépare la conception de piles plus robustes dans le temps et moins gourmandes en chaleur pour fonctionner.
Ce nouvel oxyde est un très bon conducteur d’ions, mais aussi un excellent conducteur de courant un inconvénient que les concepteurs de piles à combustible essaient de gommer, car une partie de l’électricité générée est perdue.

Intérêt pour l'habitat futur

Certaines piles à combustible (du type MCFC a carbonate fondu ou plus prometteuse, SOFC à « oxyde solide ») fonctionnent à haute température (de 650 a plus de 1 000 °C), avec l'avantage de fournir de l'électricité et par cogénération, l'énergie de chauffage et l'eau chaude sanitaire. À la différence des piles pour automobiles, ces piles chaudes se contentent en outre de gaz naturel (le procédé casse les molécules de méthane).

Ce procédé produit 30 % de CO2 de moins qu'une chaudière de cogénération classique (turbine à cycle combiné gaz et vapeur)selon ses défenseurs.
Ce procédé permet de tester la filière sans attendre une production d'hydrogène rationalisée.

La maison individuelle

L'avenir de cette technique reste une inconnue, les piles à combustible présenteront elles encore un intérêt dans dix ans : avec les progrès de l'isolation et des énergies solaires, la pile à combustible (PAC) pour la maison individuelle neuve perd une partie de son intérêt. Mais la pile à combustible peut trouver son créneau dans la rénovation ou la collectivité.

Les piles à combustible sont surdimensionnées pour l'habitat individuel et trop chères en raison de leur statut semi expérimental, mais elles sont déjà utilisées à titre expérimental pour l'habitat collectif : l'Office public de HLM de Pans expérimente à Paris une pile MCFC pour alimenter en chauffage (180 kW) 283 logements et revendre l'électricité (230 kW) à l’énergéticien français EDF.

Fabricants de pile combustible

Un partenariat entre deux fabricants : De Dietrich et Ceramic Fuel Cell Limited.

Sur le salon Interclimat de 2008, le fabricant très connu de chaudières et d'appareils de chauffage DE DIETRICH avait présenté le projet de chaudière électrogène à pile à combustible. Un partenariat avec le fabricant de piles à combustible Céramic Fuel Cell Limited avait été signé afin d'intégrer une pile à combustible dans un produit de type chauffage de manière optimisée.

L'intérêt de ce procédé est intéressant et prometteur, car en obtenant une réaction chimique inverse de celle de l’électrolyse de l’eau, consistant à associer de l’hydrogène et de l’oxygène. Ce procédé consiste à casser les molécules (liaison avec le carbone), cette réaction produit de l’électricité et rejette de l’eau (H2O). Le matériel intègre un système de reformage du gaz naturel qui est transformé en hydrogène. La pile à combustible produit ainsi 1 kW électrique et environ 650 Watts thermiques avec un rendement global supérieur à 90 %. Cette pile à combustible permet de réaliser des économies d’énergie avec un impact réduit sur l’environnement tout en produisant de l’électricité au prix du gaz naturel. La technologie est au point et finalisée, mais tout le travail de développement futur consiste à optimiser le système pour en baisser tous les coûts de revient. La mise sur le marché est prévue pour les 10 prochaines années.

La technologie employée :

SOFC (Solide Oxyde Fuel Cell).

• Puissance électrique : 1 kW
• Pile à combustible en complément d’un corps de chaudière à condensation

Avantages :

• Produit de l’électricité au prix du gaz
• système de cogénération avec un meilleur rendement électrique
• Réduit les émissions de CO2

Le carburant hydrogène

Hydrogène : le carburant du futur ?

Selon des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech), la généralisation du moteur à hydrogène provoquerait une augmentation du trou de la couche d'ozone en raison des fuites de gaz inévitables que cela engendrerait. De nombreux scientifiques doutent que ce combustible soit une solution à l'accroissement des émissions de gaz à effet de serre, cette découverte indique que l'hydrogène pourrait se révéler encore plus néfaste pour l'environnement que les énergies fossiles qu'il est censé remplacer.
En effet, dans un article paru dans la revue « science »*, Tracey K. Tromp, Run-Lie Shia, Mark Allen, John M. Eiler, Y. L. Yungont, chercheurs au Caltech, se sont servis d'une simulation informatique qui leur a permis de tester plusieurs scénarios, en fonction de paramètres comme la production totale d'hydrogène ou la quantité de ce gaz qui peut être fixée par les organismes et les minéraux. Cette étude leur a permis d'estimer l'impact d'une économie basée sur l'hydrogène l'impact sur l'environnement.

*L’American Association for the Advancement of Science (AAAS) est la plus grande société scientifique du monde et édite la revue Science. L’AAAS, fondée en 1848, est au service de 10 millions de personnes au travers de 262 sociétés et académies des sciences affiliées. « Science », est la revue générale scientifique à comité de lecture la plus vendue dans le monde, avec un lectorat total estimé à un million de personnes. L’AAAS, à but non lucratif, est ouverte à tous et remplit sa mission de « faire avancer la science et de servir la société » par le biais notamment d’initiatives dans les politiques scientifiques, de programmes internationaux et de l’éducation scientifique.

La pile à combustible gaz

Avantages

• La pile à combustible transforme le gaz naturel et l’oxygène en électricité et en chaleur, et ce, dans un processus électrochimique dépourvu de bruit et pratiquement d’émissions polluantes.
• L’entreprise suisse Hexis est à la pointe de ce développement.
• Des premières préséries de piles à combustible sont déjà en service.

Inconvénients

Si le principe en est simple, il reste certains problèmes de taille à résoudre :

• la porosité des réservoirs (le réservoir se vide en quelques semaines comme sur les fusées spatiales)
• le coût de l'extraction,
• les émissions de CO2,
• le prix de revient du kWh généré,
• l'autonomie (dans le cas d'un véhicule),
• la rareté des stations-service délivrant de l'hydrogène et surtout la dangerosité de l'hydrogène, car il faut le stocker sous une énorme pression ou sous sa forme liquide à conserver à 250 °C sous zéro). Dans les deux cas, le réservoir devient une véritable bombe en cas de collision.