Hydrogène et piles à combustible :

la gestation se poursuit

par Bruno Mortgat

Quelles seront les premières applications des piles à combustible dans notre vie de tous les jours, depuis que chercheurs et medias nous ont mis sur la piste ? Mais pas de réaction sans catalyse qui implique des métaux (précieux) tel le platine. Y aura-t-il une explosion de la demande de ce métal (et des platinoïdes), avec sa conséquence inévitable sur le prix, à moins que les recherches en cours sur une diminution des quantités nécessaires et sur les substitutions technologiques possibles ne désamorcent le problème ?

La Rédaction d’Ecomine.

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Les premières applications grand public de la pile à combustible sont annoncées pour 2007 dans le domaine du portable (ordinateurs, baladeurs, téléphonie...). Des verrous technologiques restent à surmonter pour abaisser les coûts de production de l'hydrogène et des piles ainsi que pour améliorer leur longévité dans l'optique d'une généralisation dans le domaine de l'automobile.

Actuellement, environ un milliard d'euros est consacré chaque année dans le monde à la recherche dans les domaines de l'hydrogène et de la pile à combustible (PAC), soit 12 % environ de l'ensemble des dépenses publiques consacrées à la recherche sur l'énergie. Cet effort ne produira vraiment ses fruits que lorsque les coûts de production des piles et de l'hydrogène auront été significativement abaissés pour rendre les applications compétitives. Seules celles apportant un bénéfice nouveau à l'utilisateur semblent en mesure d'être commercialisées à court terme.

 Applications statiques

Actuellement, le domaine des applications stationnaires est le seul dans lequel des PAC sont en exploitation réelle, même si ce sont encore des opérations de démonstration dans la plupart des cas. On recense en France au moins deux expériences à Chelles (77) et à Paris (cf E&T n° 252 p.17). D'autres sont en cours en Allemagne, toutes utilisant le gaz naturel pour produire l'hydrogène. Ces applications permettent de produire de l'électricité et de la chaleur décentralisée. Elles sont techniquement au point, mais pas encore économiquement viables. Par rapport aux applications mobiles ou embarquées, elles ne nécessitent pas de miniaturisation poussée, ce qui n'empêche pas les recherches sur cet axe de se poursuivre. Des études sont ainsi menées en Ecosse sur des piles à combustible solide (carbone), dont l'énergie spécifique volumique est plus élevée que celle de l'hydrogène, permettant de gagner en compacité. Revers de la médaille : sa surface de contact est très faible par rapport à l'hydrogène gazeux. Ces recherches combinent les méthodes utilisées pour les piles à oxyde solide (SOFC) et les piles à carbonates fondus (MCFC), toutes deux dites à haute température (600 - 1 000 °C) avec des applications pour la cogénération et production centralisée d'électricité.

Pour ce type d'application, des progrès restent à accomplir en termes de longévité, de façon à rendre possible l'application d'une garantie au moins décennale.

Applications mobiles

Le domaine des applications portables sera le premier dans lequel des PAC seront commercialisées en grande série, sans doute dès cette année. Pour ce type d'applications, la PAC apporte en effet un vrai "plus" en termes d'autonomie, qui permettra de justifier un prix d'achat plus élevé. Par ailleurs, la durée de vie de 3 ans des PAC actuelles est compatible avec celle de ce type de produits, alors qu'elle constitue un obstacle dans les autres domaines.

En termes de recharge, c'est la technologie de reformage du méthanol qui est plébiscitée. Sur le plan pratique, l'utilisateur se procurera des recharges de méthanol liquide qu'il n'aura qu'à insérer dans son application, comme une pile ou une batterie traditionnelle. La fabrication du méthanol et de ce type de recharge ne posent pas aujourd'hui de problème particulier.

Outre cette meilleure autonomie, la PAC résout des problèmes environnementaux, notamment en termes de déchets. A priori, les composants d'une PAC ne seront pas classés comme dangereux et, dans tous les cas, en proportion moindre que ceux des batteries. Les catalyseurs, composés de platine, seront certainement recyclés, vu leur valeur. Les membranes sont généralement composées de polymères fluorés, très résistants, mais sur lesquels on n'a pas encore de données toxicologiques bien étayées. Elles ne sont à priori pas concernées par la directive Rohs, du moins pour l'instant. Du point de vue de l'effet de serre et de la consommation de ressources non renouvelables, le bilan final dépendra de l'origine du carbone utilisé pour la production du méthanol.

Selon Sébastien Taillemite, consultant chez Alcimed, ces PAC ne permettront sans doute pas à leurs fabricants de dégager des marges très importantes, car elles mettent en œuvre une technologie complexe qui ne pourra pas être commercialisée à un prix très élevé. Elles présentent cependant l'intérêt de mettre en application les résultats de plusieurs dizaines d'années de recherche, dans lesquelles d'énormes investissements ont été consentis, ce qui constitue certainement pour eux une motivation.

Le handicap de la PAC portable, pour l'instant, reste sa taille. C'est principalement sur cet axe que porte désormais la recherche. Un des dilemmes consiste à choisir entre des PAC fonctionnant à haute température, beaucoup plus efficaces mais nécessitant un important volume d'isolant, ou à température ambiante, requérant une PAC de dimension plus imposante.

Des chercheurs japonais de l'Institut national des sciences industrielles et des technologies avancées (AIST) ont développé une PAC tubulaire en oxyde de cérium dont l'efficacité énergétique est la plus élevée de sa catégorie. Dans un diamètre de 1,8 mm, celle-ci délivre 1 W/cm2 à seulement 570 °C (au lieu de 800 à 900 °C dans les PAC habituelles). L'isolation thermique nécessaire à son bon fonctionnement est ainsi moindre, ce qui permet une réduction simultanée du coût et du volume totaux.

Sony a, pour sa part, récemment développé une nouvelle technologie permettant à une PAC au méthanol (DMFC) de générer 100 mW/cm2 à température ambiante. Ce niveau d'efficacité, de 60 % plus élevé que les modèles conventionnels, a été atteint en réduisant les pertes de méthanol grâce à l'introduction de fullerènes dans le film polymère dont est composé la membrane électrolytique de la PAC.

Côté applications, des constructeurs japonais ont déjà mis au point des PDA, des lecteurs mp3 et des ordinateurs portables fonctionnant avec des PAC, mais il s'agit pour l'instant de prototypes. Après avoir chacun annoncé leur commercialisation pour 2005, Hitachi, Nec et Toshiba ont repoussé leurs lancements et les prévoient maintenant pour 2007.

Toshiba a notamment fait la démonstration de 2 baladeurs exploitant la PAC comme source d'alimentation. Le premier, à mémoire flash (consommation de 100 mW), ne pèse que 78,5 g et peut être alimenté pendant 35 h non-stop avec une recharge de 3,5 ml de méthanol. La version avec disque dur (consommation de 300 mW) pèse 270 g et peut fonctionner pendant 60 h avec une cartouche de 10 ml de méthanol.

Les sociétés taiwanaises Antig Technology et AVC ont, pour leur part, présenté le 1 er mars 2006 le premier ordinateur portable à PAC intégrée qui sera commercialisé. Celle-ci fonctionne comme une batterie d'appoint, en complément d'une batterie lithium-ion classique. Elle a la taille d'un lecteur enfichable de DVD et fonctionne au méthanol. Elle pèse 1,7 kg et fournit 45 W, portant l'autonomie totale de l'ordinateur (lithium-ion + PAC) à 8 heures avec une simple cartouche. Des performances somme toute modestes : la PAC alourdit l'ordinateur et ne lui donne qu'une rallonge d'autonomie équivalente à celle de la batterie principale tout en le privant de son lecteur de DVD. Il devrait être distribué au second semestre à un prix resté secret.

Applications embarquées

Sur la voiture, c'est la filière "hydrogène embarqué" qui semble avoir la préférence des constructeurs, malgré les difficultés de stockage que pose ce carburant. Notons que la PAC n'apportera pas ici d'avantage décisif : les performances des véhicules seront même plutôt moindres, notamment en termes d'autonomie et de longévité. L’avantage environnemental, en particulier, risque d'être insuffisant, du moins pour la très grande majorité des utilisateurs, pour justifier un écart de prix important, surtout compte tenu des inconvénients. C'est pourquoi une baisse des coûts de production, tant des piles que de l'hydrogène, est absolument nécessaire.

Platine et catalyseurs

Dans cette optique, des recherches sont encore nécessaires pour abaisser les coûts liés aux catalyseurs. A l'heure actuelle, seul le platine permet de catalyser efficacement la dissociation de l'hydrogène et de l'oxygène. Si les PAC devaient remplacer un jour le parc automobile actuel, les réserves mondiales en platine seraient insuffisantes et cette situation entraînerait une inflation problématique des prix. C'est pourquoi des chercheurs de la Northeastern University à Boston cherchent à minimiser le dépôt de platine sur les électrodes. A l'aide d'une technique de déposition en phase vapeur assistée d'un bombardement ionique double faisceau (IBAD), ils ont atteint une charge de platine sur la surface de l'électrode variant entre 0,04 et 0,1 mg Pt/cm 2, à comparer avec une charge habituellement comprise entre l et 0,1 mg Pt/ cm 2 obtenue avec les techniques classiques. La technique IBAD pourrait faire l'objet d'une commercialisation d'ici 18 mois.

Parallèlement, souligne Sébastien Taillemite, les catalyseurs ont encore une durée de vie trop limitée, inférieure à 5 ans sur une application véhicule, et comme il s'agit du composant le plus onéreux, il est prohibitif d'envisager de le remplacer. Notons qu'il reste possible d'utiliser une PAC plus longtemps, mais ses performances diminuent et sa consommation augmente au détriment de l'autonomie du véhicule. Des recherches sont aussi faites pour améliorer les membranes : il s'agit, d'optimiser la sélectivité de leur perméabilité pour éviter l'empoisonnement des catalyseurs et augmenter leur durée de vie.

Pour s'affranchir du platine, certains scientifiques songent à utiliser des enzymes ou des bactéries comme catalyseurs. Une équipe de chercheurs de l'Université d'Oxford a réussi, en utilisant une bactérie suffisamment résistante, à produire de l'électricité dans une PAC. Cette opération a été réalisée en présence d'oxygène et de monoxyde de carbone et ne nécessite pas de membrane pour séparer les deux réactifs, hydrogène et oxygène.

Stockage de l'hydrogène

L'enjeu de l'autonomie étant crucial pour un véhicule, d'importants efforts sont déployés pour améliorer le stockage de l'hydrogène à bord. Plusieurs procédés sont explorés, parmi lesquels la compression, la liquéfaction et la combinaison dans une phase solide (hydrures métalliques, par exemple). Mais pour l'instant aucun de ces procédés n'est vraiment satisfaisant. Compression et liquéfaction posent des problèmes de rendement énergétique et de sûreté. Hitachi a néanmoins récemment développé un compresseur haute pression atteignant 84 megapascals, contre 35 MPa pour les compresseurs actuels. L'objectif du groupe japonais est d'atteindre les 100 MPa de façon à permettre aux véhicules à hydrogène d'atteindre les 500 km d'autonomie.

Les hydrures de métal sont plus séduisants, en particulier parce qu'ils permettent d'obtenir des densités supérieures à celles de l'hydrogène liquide. Cependant l'extraction du carburant est très énergivore, sa cinétique n'est pas optimale et les hydrures sont très instables en présence d'air et d'eau. Actuellement, les polymères de coordination (structures métal-organiques - MOF) semblent les mieux placés suivant tous les critères.

Une équipe américaine de chimistes des Universités de Californie et du Michigan a récemment annoncé être parvenue à stocker jusqu'à une concentration massique de 7,5 % d'hydrogène dans une structure MOF, dont l'intérêt est de posséder une structure nanoporeuse de dimensions ajustables. Un gramme de MOF a une surface d'adsorption développée égale à celle d'un terrain de football. Mais jusqu'à présent, aucun parmi les 500 matériaux testés n'offrait de capacité de stockage supérieure à 2,5 %. S'il était confirmé, ce niveau de concentration pourrait constituer l'un des sauts technologiques attendus, permettant de doubler, voire tripler la quantité d'hydrogène embarquée et donc l'autonomie. Il permettrait, en outre, d'envisager des applications de l'hydrogène dans d'autres usages où une forte concentration énergétique est requise, comme les batteries d'ordinateurs portables ou de téléphones mobiles.

Des chercheurs du Conseil national de recherches du Canada (ISSM - CNRC) explorent quant à eux la piste des hydrates de clathrates. Pour demeurer stables, les hydrates de gaz contenant de l'hydrogène exigent une pression de 25 atmosphères à 0 °C. Dans cet état, ils peuvent stocker environ 2 % d'hydrogène par volume d'hydrates. Les chercheurs ont démontré qu'une pression légèrement supérieure permettait de stabiliser la structure des hydrates et les rendait capables de stocker deux fois plus d'hydrogène et d'atteindre les 5 à 8 % recommandés. Reste maintenant à accélérer la réaction chimique, car le stockage ou l'extraction d'hydrogène d'une structure d'hydrates prend actuellement de quelques jours à quelques semaines.

Robotisation

Autre axe de réduction des coûts, la fabrication de PAC pourrait bientôt être robotisée. Un programme de recherche sur ce thème fait coopérer des développeurs de l'Institut Rensselaer Polytechnic à Troy (USA) avec l'entreprise allemande Pemeas. Aujourd'hui, l'assemblage d'une pile nécessite un jour de travail manuel, et l'objectif des chercheurs est de réduire cette durée à quelques minutes. Pemeas a d'ores et déjà mis en service une ligne de production automatisée d'unités d'électrode de membrane (MEAs). Il s'agit maintenant d'étudier leur assemblage automatisé avec d'autres composants. Les premiers résultats sont attendus pour 2007.

L'hydrogène

L’hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins coûteux actuellement, mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de production est émetteur de CO 2 et comme les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, il est indispensable de diversifier les modes de production et d'abaisser leurs coûts.

Parmi les autres filières déjà disponibles, l'électrolyse est très consommatrice d'énergie, mais elle peut être réalisée à partir d'électricité non émettrice de CO 2. Exploiter la production fatale des centrales nucléaires pendant les heures creuses constitue une bonne solution pour produire de l'hydrogène à bas coût, mais à long terme, le nucléaire n'est pas une énergie renouvelable. Dans le même ordre d'idée, des expériences sont menées pour exploiter les surplus d'énergie éolienne pour produire de l'hydrogène, qui peut alors être soit utilisé pour produire de l'électricité en cas de vents faibles ou être revendu pour le secteur du transport. De 10 à 15 % de l'électricité produite par les éoliennes pourraient ainsi être dédiés à la production d'hydrogène (ce qui sera évidemment très loin d'être suffisant).

Le coût élevé de l'électrolyse ne semble toutefois pas être une fatalité. Des chercheurs de General Electric (GE) ont en effet mis au point un prototype de production d'hydrogène par électrolyse qui réduit les prix de revient à 3 US$ par kg d'hydrogène, contre environ 8 US$ pour les procédés classiques actuels. Ce coût comprend ceux de la cellule, de l'électricité et ceux d'opération et de maintenance. Un kg d'hydrogène est thermiquement équivalent à un gallon US d'essence ( 3,785 l) dont le prix de détail actuel est de l'ordre de 2,5 US$.

L'innovation principale tient à la structure de la cellule, conçue dans un plastique résistant à l'électrolyte alcalin. Les électrodes sont matérialisées par des films métalliques minces appliqués sur le squelette plastique. Les chercheurs de GE envisagent de réduire encore d'un facteur 2 le coût de fabrication des cellules d'ici 2010.

La filière méthanol reste, pour sa part, émettrice de CO 2. Une production de méthanol neutre en GES est toutefois envisageable en recyclant le CO 2 qui sera capté lors de la combustion de combustibles fossiles, mais le bilan global restera émetteur de CO 2. Une filière éthanol pourrait toutefois fonctionner grâce à la biomasse et donner le jour à une solution de réformage « bio ».

Seules des analyses de cycle de vie peuvent permettre d'établir quelle filière hydrogène est la meilleure sur le plan environnemental, souligne Sébastien Taillemite. Dans le pire des cas, du puits à la roue, on aura, en termes d'émissions de gaz à effet de serre, un système équivalent aux énergies fossiles (en plus cher), mais globalement, les meilleurs rendements des PAC semblent plutôt leur donner un avantage. Et sur le plan de la pollution atmosphérique, l'avantage devient décisif, puisque les utilisateurs n'émettent plus que de l'eau (et du CO 2 - peu toxique - s'ils utilisent du méthanol).

 Article publié dans la revue « Environnement & Technique » n° 257, de juin 2006, et reproduit avec l’aimable autorisation de l’auteur et du responsable de la rédaction. Tous les articles de cette publication sont aussi disponibles sur le site web proenvironnement.com