Pile à combustible

Andora Sam 11 Avr - 14:49

Une pile à combustible est basée sur le principe de la production d'électricité par combustion de l'hydrogène. C'est donc une pile électrique dont le résidu (déchet)
est de l'eau. L'hydrogène gazeux étant très rare à l'état naturel, les
piles à combustible nécessitent donc en amont une industrie de
production de ce gaz, laquelle peut être fortement consommatrice
d'énergie et polluante. La pile à combustible n'est donc pas un
générateur mais un vecteur d'énergie (comme une pile chimique
classique)

Le principe

Une cellule élémentaire est constituée de 3 éléments :

deux électrodes,
un électrolyte.

Les deux électrodes sont séparées par l'électrolyte. À l'anode, on amène le combustible (le plus souvent de l'hydrogène, parfois du méthanol). La cathode est alimentée en oxygène (ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène).

Avantages et Inconvénients

Avantages

Haut rendement : il dépend du type de pile, mais varie entre 40 et 70%. En comparaison, un moteur thermique d'automobile a un rendement qui varie entre 25 et 30%.
Peu bruyante
Compacité
Émissions polluantes "quasiment" nulles
Pas de vibration (pas de pièces tournantes)

Inconvénients

Schéma de fonctionnement de la pile à combustible

Pile à combustible au méthanol

Le coût : les piles à combustible utilisent des
catalyseurs. Ces genres de catalyseurs (métaux précieux et/ou rares)
ont deux défauts. Ils sont chers et présentent un risque de corruption par des réactifs insuffisamment pur. C'est d'ailleurs pour permettre l'utilisation de pots catalytiques que l'on a fait des essences sans plomb (pas parce que le plomb pollue l'air, mais parce qu'il pollue les catalyseurs !)
Pollution :
une pile fonctionnant uniquement à l'hydrogène ne produit en théorie
aucun polluant (Cependant, il ne faut pas oublier que la production
d'hydrogène en elle-même peut polluer, en particulier si le pétrole,
contenant une bonne partie des polluants rejetés par une voiture
traditionnelle -notamment le soufre-, est utilisé pour produire
l'hydrogène). Par contre les piles à combustible utilisant de l'éthanol, du méthanol ou du méthane rejettent des gaz (CO₂, CH₄, CO, H₂, en très faible quantité) qui sont soit des polluants toxiques (le CO), soit des gaz à fort effet de serre (le CH₄). Pour info, une voiture à essence rejette en plus du SO₂.
Cependant, les piles à combustible ayant recours au reformage (craquage
du carburant pour produire de l'Hydrogene) sont normalement munies d'un
système de post combustion catalytique permettant d'éliminer les
résidus combustibles et de rejeter uniquement du CO₂ et de l'eau.
Durée de vie : aujourd'hui, elle n'est que de quelques
milliers d'heures. Pour être rentables, les piles devraient atteindre
une durée de vie de 20.000 à 40.000 heures (entre 2 et 5 ans).
La disponibilité des combustibles de qualité adéquate :
qui dit nouveau carburant, dit nouveau réseau de distribution. Nous
sommes actuellement équipés de pompes à essence. Si nous voulons mettre
en service la distribution du méthanol, il suffira de supprimer une
pompe de super 98+ et de la remplacer par une pompe méthanol. Il faut
savoir également que la pile à hydrogène est fort exigeante quant à la
qualité du combustible, trop d'impuretés rendraient le catalyseur
inopérant.
Quel carburant ? Même si à terme, c'est l'hydrogène
qui s'imposera, la question est de savoir quand et sous quelle forme;
et quel carburant servira d'intermédiaire dans les applications
automobiles.
Fabrication : les piles à combustible sont un thème
récurrent dont un des obstacles au développement est, outre les
catalyseurs, toute l'infrastructure autour de la cellule d'électrolyse
proprement dite. Ceci en interdit donc une réalisation domestique !
Production d'hydrogène : le problème réside (entre
autres) dans la production d'hydrogène : si sa combustion est
totalement non polluante, il n'en va pas de même pour sa production...
Par exemple, dans le méthanol, il y a C et donc dioxyde à la sortie...
A moins de le produire à partir d'eau par électrolyse (et de récupérer
l'oxygène comme comburant) mais il faudrait alors de très grandes
quantités d'électricité. La méthode de production actuelle nécessite un
dérivé du pétrole (gaz naturel) et ne rend donc pas indépendant du
pétrole. De nombreuses autres méthodes existent ou font l'objet de
recherches, entre autres l'utilisation des réacteurs nucléaires de
quatrième génération qui permettraient une réaction à très haute
température (entre deux réactifs à base d'hydrogène, cf plus bas).
Selon le Rapport Gatignol, la généralisation des moteurs à hydrogène
stocké (comme la pile à combustible) implique, pour la France
uniquement, le doublement ou le quadruplement du nombre de réacteurs
nucléaires. Il existe cependant une alternative qui est de produire
l'hydrogène à bord du véhicule au moment de l'utilisation (Brevet
déposé en France en 2005).

Remarques à vérifier

C'est une fausse idée que de croire qu'obtenir le méthanol à partir de
la biomasse est peu coûteux.
Le plus simple (et quasi gratuit) est les procédés industriels :

l'oxydation du méthane en méthanol,
la transformation du gaz industriel (CO + H₂) en méthanol (CH₃OH),

Par contre, l'obtention d'éthanol à partir de la biomasse est moins
couteuse qu'à partir des sources fossiles. D'ailleurs, les industriels
abandonnent actuellement cette voie au profit de la biomasse. Cette
tendance devrait se confirmer avec l'arrivée d'innovations telles que
le fractionnement de la cellulose en sucres simples, qui permettra
prochainement d'obtenir de l'éthanol à partir de bois ou de paille.
D'autre part, l'obtention de l'hydrogène et de l'alcool
(méthanol ou éthanol) sont des processus polluants. Il convient donc
pour juger de l'intérêt de chaque voie, de les étudier de façon
impartiale et exhaustive. Une telle étude n'existe toujours pas à ma
connaissance. L'une des difficultés tient aux énormes enjeux
financiers. En effet, il s'agit de savoir qui fournira l'énergie des
transports de demain. Chaque lobby (pétrole, nucléaire, biomasse,
etc..) cherche à se mettre en avant et à dénigrer les autres. Pour générer de l'hydrogène, il y a les réacteurs nucléaires
de troisième génération qui sont en train de trouver des solutions
envisageables industriellement par thermolyse. EDF a trouvé une
application des réacteurs nucléaires de quatrième génération consistant
en une réaction entre l'acide iodhydrique (IH) et un autre acide
(peut-être l'acide chlorhydrique) qui a lieu à une température de 700°C
environ. Cette méthode serait un peu plus écologique que la production
actuellement très répandue d'hydrogéne par reformage de gaz naturel.
L'utilisation de l'hydrogène comme carburant est toujours
évoquée à travers la pile à combustible. Or une méthode plus directe
serait d'utiliser un moteur à combustion, l'hydrogène étant plus
énergétique que les dérivés du pétrole. De nombreuses entreprises
effectuent des essais sur banc de ces moteurs, et BMW expérimente cette
technologie sur ses série 7.
L'aspect écologique de la pile à combustible se constate
facilement dans son utilisation c'est un fait établi. Mais sa
fabrication, et son recyclage font appel aux industries les plus
polluantes ce qui je pense en fait un produit extrêmement dangereux si
son utilisation venait à se généraliser.

Conclusion

Voici donc une technologie prometteuse. Mais aussi une technologie
jeune. Qui n'est pas parfaite : "Comment générer de l'hydrogène sans
polluer ?". Donc en attendant qu'elle soit au point, il serait plus
judicieux de se tourner vers d'autres énergies telles que l'air, l'eau, le soleil...

Liens externes

Les Piles à combustibles sur Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Pile_%C3%A0_combustible. Pour ceux que cela intéresse des détails sur les deux catégories de piles à combustible (en Anglais):
- Membrane à échange de protons (PEMFC) http://en.wikipedia.org/wiki/PEMFC
- Pile à oxydes solides (SOFC) http://en.wikipedia.org/wiki/SOFC

Limites actuelles de la PAC[1]
Site sur la PAC, l'enjeu qu'elle constitue, son principe de fonctionnement, ses limites et applications