La NASA (US National Aeronautics and Space Administration) utilise cette technologie pour faire fonctionner ses navettes spatiales. Les ordinateurs de la First National Bank of Omaha l'utilisent également comme source d'énergie. Certains des bus de transport en commun de Chicago l'utilisent aussi.

Il s'agit des piles à combustible. Les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui produisent de l'énergie électrique sans combustion. Elles produisent de l'électricité par un processus chimique, de façon tout à fait comparable aux piles classiques. Mais les produits chimiques utilisés par les piles à combustible sont l'hydrogène et l'oxygène élémentaires, et cette réaction chimique aboutit à la formation d'eau. On peut également utiliser du gaz naturel, bien que l'utilisation de combustibles à hydrocarbures s'accompagne, bien entendu, d'une certaine quantité d'émissions de dioxyde de carbone.

Etant donné qu'il est possible de rendre les piles à combustible à la fois très efficaces et propres, elles paraissent très prometteuses comme source d'énergie cohérente d'un point de vue écologique, qui pourrait aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre et d'autres formes de pollution. L'obstacle principal qui empêche leur utilisation à grande échelle est leur coût élevé en comparaison avec les autres systèmes de production d'électricité ou de propulsion de véhicules.

Historique

La première pile à combustible a été mise en oeuvre par Sir William Groves en 1839. Groves démontra que le processus d'électrolyse - la séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène par contact avec un courant électrique - pouvait être inversé. C'est à dire que l'hydrogène et l'oxygène pouvaient être recombinés afin de produire de l'électricité.

Quelques scientifiques et ingénieurs ont travaillé avec assiduité sur les piles à combustibles après cette première découverte, mais, au cours de la deuxième moitié du 19ème siècle, l'invention du moteur à combustion interne et le développement d'une infrastructure pour l'extraction des ressources pétrolières ont alors éclipsé le développement de la pile à combustible. Le coût des piles à combustible a encore davantage empêché son développement.

Le développement des piles à combustible a connu une relance dans les années 1950 lorsque la NASA a choisi cette technologie pour répondre à la nécessité d'avoir un générateur d'électricité compact pour ses missions spatiales. A la suite de ces investissements, les missions Apollo et Gemini ont été alimentées par piles à combustible, et le Space Shuttle utilise actuellement lui-aussi cette même source d'énergie.

Les piles à combustible sont encore pour l'essentiel à l'état expérimental, mais quelques entreprises les commercialisent déjà.¹ C'est seulement au cours des dix dernières années environ que des avancées significatives ont été accomplies dans la technologie des piles à combustible commerciales. Certaines de ces avancées sont présentées.

Le fonctionnement des piles à combustible

Les piles à combustible sont comparables à des batteries classiques dans la mesure où elles produisent de l'électricité directement à partir d'une réaction chimique. Les moteurs à combustion interne, eux, brûlent du combustible, et par conséquent produisent de la chaleur, qui est alors convertie en énergie mécanique. A moins que la chaleur contenue dans les gaz d'échappement soit utilisée d'une façon quelconque, (par exemple, pour le chauffage ou la climatisation), les moteurs à combustion interne ont un faible rendement. A titre d'exemple, on prévoit actuellement que le rendement des piles à combustible actuellement en développement et destinées à être utilisées dans des véhicules, sera le double de celui des moteurs à essence classiques utilisés actuellement dans les voitures.

Bien que les batteries classiques tout comme les piles à combustible produisent de l'électricité par moyens électrochimiques, elles répondent à deux fonctions très différentes. Une pile classique est un appareil servant à stocker de l'énergie : l'électricité qu'elle produit est le résultat d'une réaction chimique de matières qui sont déjà stockées à l'intérieur de celle-ci. Une pile à combustible ne stocke pas d'énergie, mais elle convertit en électricité une partie de l'énergie d'un combustible fourni de l'extérieur. A cet égard, la pile à combustible ressemble davantage à une centrale électrique conventionnelle.

Il existe différentes sortes de piles à combustible (voir le tableau ). La pile à combustible la plus simple consiste en une membrane spéciale que l'on appelle électrolyte. Des électrodes en poudre sont dèposées sur les deux surfaces opposées de la membrane. Cette disposition - un électrolyte entouré de deux électrodes - correspond à une pile individuelle. On ajoute alors de l'hydrogène d'un côté (l'anode) et de l'oxygène (de l'air) de l'autre (au niveau de la cathode). Cela produit alors différentes réactions chimiques au niveau de chaque électrode (voir le schéma).

Au niveau de l'anode, il y a dissociation de l'hydrogène en un mélange de protons et d'électrons. Dans certaines piles à combustible, les électrodes sont entourées d'un catalyseur, généralement constitué de platine ou d'un autre métal précieux, qui facilite cette dissociation :

2 H₂ ==> 4 H⁺ + 4 e^-

H₂= molécule d'hydrogène diatomique, c'est-à-dire l'hydrogène sous forme gazeuse
H⁺ = hydrogène ionisé, c'est-à-dire un proton
e^- = électron

La clé de la pile à combustible tient à ce que l'électrolyte laisse passer les protons (en direction de la cathode), mais arrête les électrons. Les électrons passent par un chemin extérieur pour arriver jusqu'à la cathode. Ce mouvement d'électrons constitue un courant électrique, qui peut être utilisé pourfaire fonctionner un appareil externe à la pile à combustible, com me par exemple un moteur électrique ou une ampoule électrique. On donne à un tel appareil le nom générique de "charge".

Au niveau de la cathode de la pile à combustible, les protons (qui ont déjà traversé l'électrolyte) et les électrons (qui ont traversé la charge externe) sont "réunis" et réagissent avec l'oxygène fourni, en formant de l'eau, H₂O :

4 H⁺ + 4 e^- +O₂ ==> 2 H₂O .

La réaction globale de la pile à combustible est la suivante :
2H₂ + O₂ ==> 2 H₂O

Les piles à combustible fonctionnent en utilisant de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène provenant de l'air. L'hydrogène peut être fourni directement ou par extraction à partir d'une alimentation externe telle que le gaz naturel, l'essence ou le méthanol. Lorsque la source n'est pas de l'hydrogène, elle doit alors être convertie par un processus chimique afin d'en extraire l'hydrogène - c'est un procédé que l'on appelle "reformage".² L'hydrogène peut également être produit à partir d'ammoniaque, de sources alternatives telles que les gaz provenant de décharges ou des usines de traitement des eaux usées, mais aussi par électrolyse de l'eau, qui utilise l'électricité pour la diviser en ses éléments, l'hydrogène et l'oxygène.³ L'essentiel de la technologie des piles à combustible destinées aux véhicules utilise actuellement du méthanol.

Diverses méthodes ont été développées pour réformer le combustible en hydrogène pour les piles à combustible. Le ministère de l'Energie des Etats-Unis a développé un convertisseur de combustible qui sert, dans un véhicule, à reformer l'essence afin de fournir l'hydrogène nécessaire à une pile à combustible présente à bord du véhicule.⁴ Un "reformeur" de forme compacte, faisant un dixième de la taille des appareils actuels, a été mis au point et présenté par des chercheurs du Laboratoire National de Pacific Northwest des US Northwest Power Systems, et le Laboratoire National de Sandia a, quant à lui, présenté un reformeur de combustible qui convertit le diesel en hydrogène destiné aux piles à combustible.⁵

Une seule pile à combustible produit environ 0,7 à 1,0 volt. Pour produire des voltages supérieurs, les piles à combustibles sont "empilées", c'est à dire connectées en série. Pour obtenir des courants plus élevés, des piles à combustibles empilées en série sont connectées en parallèle. C'est l'association d' "empilements" de piles à combustibles, d'un convertisseur de combustible, d'une alimentation en air, d'un système de refroidissement et de moyens de contrôle qui crée un moteur de pile à combustible. Le moteur peut alors faire fonctionner un véhicule, une centrale électrique fixe, ou un générateur d'électricité portable.⁶ La taille des piles à combustible varie selon l'application, le type de pile à combustible et le combustible utilisé. A titre d'exemple, chacune des quatre centrales électriques fixes individuelles, de 200 kilowatts chacune, utilisées par la banque d'Omaha, a environ la taille d'une remorque d'un poids lourd.⁷

Applications

Les piles à combustible peuvent être utilisées pour faire fonctionner à la fois des appareils fixes et mobiles. Suite aux nouvelles normes plus strictes concernant les émissions de gaz aux Etats-Unis, des fabricants automobiles, parmi lesquels DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda et Nissan, sont en train de tester ou de présenter des nouveaux prototypes fonctionnant avec des piles à combustible. On prévoit que les premières voitures à piles à combustible disponibles dans le commerce seront sur le marché d'ici à l'an 2004 ou 2005.⁸

Un pas significatif a été franchi en juin 1993 pour la technologie des piles à combustible avec la présentation d'un bus de démonstration de 10 mètres de long par la compagnie Ballard Power System, fonctionnant avec un moteur utilisant une pile à combustible à l'hydrogène de 90 kilowatt (voir photo page 13). Depuis lors, de nombreux types et générations de véhicules de transport en commun utilisant des piles à combustible ont été développés et utilisés. Trois petites voitures de golf utilisant une pile à combustible à l'hydrogène ont été utilisées à Palm Desert, en Californie, depuis la fin de l'année 1996. Les villes de Chicago, Illinois, Vancouver, British Columbia et Oslo, en Norvège, testent actuellement "sur le terrain" des bus de transport en commun utilisant des piles à combustible. Des taxis fonctionnant avec des piles à combustible alcaline sont également testés dans les rues de Londres.⁹

Des applications fixes de la technologie des piles à combustible sont actuellement présentées mais elles ne sont pas encore disponibles sur le marché. La First National Bank of Omaha, dans le Nebraska, utilise un système basé sur une pile à combustible pour faire fonctionner ses ordinateurs, ceci parce que ce système est plus fiable que le vieux système de la banque, qui utilisait de l'énergie provenant du réseau et soutenue par des piles classiques.¹⁰ Le système de piles à combustibles commercial le plus important au monde, de 1,2 mégawatts, sera prochainement installé dans un centre de tri du courrier en Alaska.¹¹ Des ordinateurs portables, des usines de traitement des eaux usées et des distributeurs fonctionnant avec des piles à combustible sont actuellement en cours de tests et de présentation.¹²

Avantage et Inconvénients

Les piles à combustibles bénéficient de plusieurs avantages. Alors que les moteurs à combustion interne utilisés actuellement ont un rendement de seulement 12 à 15%, celui des piles à combustible est d'environ 50%.¹³

Les piles à combustible peuvent également maintenir leurs niveaux de rendement élevés même lorsqu'elles fonctionnent seulement à une fraction de leur capacité totale, ce qui leur donne un avantage non négligeable sur les moteurs à essence.

La nature modulaire des piles à combustible signifie que la capacité d'une centrale électrique à pile à combustible peut être augmentée par le simple ajout "d'empilements"; ce qui minimise la capacité non utilisée, et permet à l'approvisionnement de mieux correspondre à la demande. Etant donné que le rendement d'une série de piles à combustible est déterminé par le rendement de chacune des piles individuelles, les petites centrales électriquesà piles à combustibles sont aussi efficaces que les grandes centrales. La chaleur émise par les déchets des systèmes de piles à combustible fixes peut également être utilisée pour le chauffage de l'air et de l'eau, ce qui augmente en conséquence l'efficacité de l'utilisation énergétique.

Les piles à combustible ne produisent quasiment aucune émission gazeuse. Lorsque leur combustible est l'hydrogène pur, les seuls produits dérivés sont la chaleur et la vapeur d'eau. En fait, les cosmonautes du Space Shuttle boivent même l'eau produite par les piles à combustible présentes à bord de la navette.¹⁴

Les autres émissions dépendent de la source de l'approvisionnement en hydrogène. L'utilisation de méthanol abouti à des émissions zéro d'oxydes d'azotes et de monoxyde de carbone, et à de très légères émissions d'hydrocarbures. Les émissions augmentent si l'on passe de l'hydrogène au méthanol puis à l'essence, mais même avec l'essence des émissions très faibles seraient obtenues.¹⁵ Dans tous les cas, le remplacement de nos moteurs à combustion interne actuels par des piles à combustible aboutirait à une réduction nette des émissions de CO₂ et d'oxydes d'azote. (Voir le tableau des émissions).

Les piles à combustible offrent également une flexibilité plus importante pour les infrastructures énergétiques, en créant des opportunités de distribution de la production (des ressources d'énergie décentralisées multiples permettant de réduire les pertes de transmission) et des marchés extérieurs au réseau (qui bénéficient particulièrement aux régions difficilement accessibles et rurales qui n'ont pas accès aux lignes électriques). Les piles à combustible permetteraient une production privée de l'essentiel de l'énergie nécessaire aux résidences individuelles et aux quartiers, ce qui améliorait significativement l'efficacité énergétique.

Les piles à combustible offrent une fiabilité accrue et une énergie de grande qualité. Elles sont durables, ne nécessitent pas de manipulation, et produisent un flux d'énergie stable.

Pourtant, un développement plus poussé de la technologie des piles à combustible sera nécessaire afin d'en améliorer le rendement, d'en réduire les coûts, et par conséquent de rendre les piles à combustibles compétitives face aux autres technologies énergétiques. Il est à remarquer, en étudiant les coûts des technologies énergétiques, que des comparaisons devraient être basées sur tous les aspects du rendement de la technologie, y compris les coûts d'investissement et de fonctionnement, les émissions de produits polluants, la qualité de l'énergie produite, la durabilité, le démantèlement et la flexibilité.

Bien que l'hydrogène sous forme gazeuse soit le meilleur combustible, la base en termes d'infrastructures ou de véhicules nécessaires n'existe pas encore. Les systèmes de distribution des combustibles fossiles (stations d'essence, etc..) pourraient être utilisés dans un avenir proche pour distribuer une source d'hydrogène sous forme d'essence, de méthanol ou de gaz naturel. Cela éliminerait le besoin de stations spéciales de chargement d'hydrogène, mais cela nécessiterait que les véhicules aient à bord un reformeur pour convertir les combustibles fossiles en hydrogène. L'inconvénient de cette approche est qu'elle requiert l'utilisation de combustibles fossiles, et ainsi qu'elle aboutit à des émissions de dioxyde de carbone. Le méthanol, qui est actuellement le produit concurrent le plus utilisé, engendre moins d'émissions que l'essence, mais il nécessiterait la présence de réservoirs plus grands à bord, car il a un volume deux fois plus important pour le même contenu énergétique.¹⁶

Contrairement aux systèmes de distribution des combustibles fossiles, les systèmes électriques solaires et éoliens, (qui utilisent de l'électricité pour créer de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'eau), et les systèmes de photo-conversion directe (qui utilisent des matières semi-conductrices ou des enzymes pour produire de l'hydrogène), pourraient fournir une source d'hydrogène sans nécessiter une étape de 'reformage', par conséquent sans les émissions engendrées par les piles à combustible au méthanol ou à l'essence. L'hydrogène pourrait être stocké et reconverti, au moment voulu, en électricité à l'intérieur d'une pile à combustible. A long terme, le couplage de piles à combustible avec de telles sources d'énergie renouvelables pourrait bien s'avérer être une stratégie efficace pour fournir une source d'énergie à la fois rentable, écologique et multi-usages.

L'IEER émet les recommandations suivantes : les autorités locales, nationales et fédérales devraient accorder une partie de leurs budgets d'acquisition en véhicules à ceux fonctionnant avec des piles à combustible, et aux systèmes de piles à combustible fixes afin de fournir l'électricité et la chaleur à certains de leurs bâtiments, nouveaux ou existants. Cela encouragera le développement d'une technologie vitale, et réduira les émissions de gaz à effet de serre.

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