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Applications portables : Les besoins tirent la technologie

Rédaction Industrie et Technologies
L'EVOLUTION DES PRODUITS PORTABLES POUSSE A LA RECHERCHE D'UNE NOUVELLE UNE SOURCE D'ENERGIE COMME LA PILE A COMBUSTIBLE. LA COMMERCIALISATION EST ATTENDUE EN JAPON EN 2007.

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En 1992, Sony crée la surprise. Il annonce, contre toute attente, le lancement immédiat de la production industrielle des accumulateurs lithium-ion. Bien que n'étant pas à l'origine fabricant de batteries, le leader mondial de l'électronique de loisir a mobilisé des moyens considérables pour faire progresser cette technologie. Et il l'a mise sur le marché plus tôt que prévu. La pile à combustible va t-elle connaître le même sort ? Ce n'est pas impossible. La surprise pourrait alors venir en 2007 de Fujitsu, Hitachi, NEC ou Toshiba, quatre industriels parmi les plus avancés dans ce domaine.

Comme Sony à l'époque, ces géants, fidèles à leur modèle d'intégration verticale, considèrent l'alimentation en énergie de leurs produits portables comme un éminemment stratégique. De sa maîtrise dépend l'encombrement, le poids, le design et les performances du produit. « La batterie représente le tiers du volume et du poids des produits portables. Et ce rapport n'a guère changé depuis 10 ans », note Christophe Pillot, consultant spécialiste des accumulateurs au cabinet d'études Avicenne Développement.

Extension des fonctions, montée de la puissance de traitement, augmentation de la taille et de la résolution des écrans... Cette évolution rend les produits portables toujours plus gourmands en énergie. Du fait du progrès technologique plus rapide dans l'électronique que dans l'électrochimie, l'écart entre le
besoin des produits portables et la capacité des batteries actuelles se creuse inévitablement. Les accumulateurs au lithium, qui constituent la solution dominante dans ces appareils, ont beau progresser régulièrement - de 5 % en moyenne par an-, ils ont de plus en plus de mal à suivre. D'autant plus que la technologie lithium, dont la densité d'énergie massique a bondi de 90 Wh/kg en 1992 à 180 Wh/kg en 2005, tend à épuiser ses marges de progrès. Selon Patrick Maio, directeur général de Hinicio, société de conseil spécialisée sur l'hydrogène et la pile à combustible, elle atteindrait ses limites vers 2010. On en réduit à espérer une rupture technologique pour combler l'écart.

Les espoirs suscités par la pile à combustible expliquent l'incroyable ruée des industriels asiatiques vers cette technologie. Presque tous les géants de l'électronique au Japon et en Corée du Sud sont engagés dans la course. La plupart le font par souci d'intégration verticale, pivot historique de leurs stratégies industrielles. D'autres comme Casio ou Canon cherchent à acquérir un avantage compétitif en maîtrisant un composant essentiel à leurs produits.

De tous les produits portables, les PC sont ceux qui subissent le plus cette contrainte. Soumis à une évolution effrénée des processeurs, puces mémoires, écrans, disques durs et logiciels, ils conservent toujours la même autonomie quels que soient les progrès des accumulateurs. « Deux heures d'autonomie aujourd'hui, c'est trop peu. Il faudrait passer à dix heures pour éviter les frustrations rencontrées jusqu'ici par les utilisateurs », estime Christophe Pillot. Un objectif atteint par prototypes de PC portables munis de piles à combustibles chez LG, Sanyo, Samsung ou Toshiba. Leurs homologues de Casio et Panasonic affichent même une autonomie de 20 heures, tandis que celui de Masteflex culmine à 35 heures. NEC, dont le premier prototype, présenté en 2003, se contente de 5 heures, vise les 40 heures pour la version commerciale.

Dans le téléphone mobile, les contraintes d'alimentation sont moins sévères mais le désagrément d'une rupture impromptue d'énergie est tout aussi désagréable. D'autant plus que le terminal tend à devenir un véritable PC de poche avec des fonctions de musique, photo, vidéo et bientôt de télévision. Le développement de la pile à combustible dans cette application s'accélère sous l'impulsion des deux premiers opérateurs de téléphonie mobile nippon : NTT DoCoMo et KDDI. Le premier travaille avec Fujitsu, tandis que le second coopère avec Toshiba et Hitachi. Les derniers prototypes, présenté en octobre 2005, multiplient l'autonomie par deux à trois, soit jusqu'à 10 heures réparties à égalité entre les communications téléphoniques et la télévision. L'objectif est d'atteindre une autonomie de plusieurs jours, voire une semaine.

Contrairement à leurs homologues en Europe ou en Amérique du Nord, les opérateurs japonais ne distribuent pas des téléphones standard. Pour se différencier, ils jouent à fond la carte de l'innovation en développant leurs propres combinés en collaboration avec des industriels qu'ils vont les fabriquer. C'est ainsi qu'ils ont engendré de grandes premières mondiales comme le téléphone avec photo ou GPS chez KDDI, et le téléphone pour l'Internet mobile ou le paiement chez NTT DoCoMo. Chacun veut prendre l'avantage sur le marché en arrivant le premier avec une nouvelle technologie. Ce modèle de développement, unique au monde, joue en faveur d'un avènement rapide de la pile à combustible dans ce segment.

Selon le cabinet Avicenne Développement, la pile à combustible pourrait, à l'horizon 2010, prendre 3 à 4,5% du marché des batteries pour PC portables et téléphones mobiles. A cette échéance, il devrait se vendre près de 100 millions de PC portables et 1 milliard  de téléphones mobiles. Les deux débouchés sont équivalents en puissance, puisqu'un PC portable consomme 10 W, contre 1 W pour le téléphone mobile. D'autres produits portables sont demandeurs comme les PC de poche, les caméscopes, les appareils photo numérique, les lecteurs DVD portables ou les baladeurs multimédia. Sans compter les applications de niche chez les militaires ou les professionnels. Selon la catégorie de produit, la puissance demandée varie de 1 à 150 W.

Ce marché pose le grand défi de la miniaturisation. La première réponse consiste à s'affranchir de périphériques comme la pompe de circulation de combustible ou le collecteur de récupération de l'eau générée par la réaction chimique. Résultat : la pile respire le combustible à la demande et expire l'eau sous forme de vapeur, de façon naturelle, sans aucun auxiliaire.

Dans la filière au méthanol, qui est actuellement la plus développée pour ces applications, la pile se réduit à un cÅ“ur électrochimique et son réservoir en combustible. Normalement, le rendement électrique est optimal pour une solution de méthanol dilué dans l'eau à 10%. Mais, à cette concentration, le réservoir serait trop gros. Les Japonais développent donc des technologies acceptant du méthanol à plus forte concentration : 30% chez NEC, 60% chez Hitachi, 99% chez Fujitsu et même... 99,5% chez Toshiba. C'est grâce à cette astuce que Toshiba est parvenu en juin 2004 à réaliser une pile de 100 mW qui mesure seulement 22 x 56 x 4,5 mm et pèse 8,5 g. Ce record de miniaturisation permet d'ores et déjà l'intégration de la pile dans des baladeurs MP3.

Dans les téléphones mobiles, il devient aussi possible dès maintenant de recharger la pile au lithium au moyen soit d'une pile au méthanol fixée au dos du terminal, soit d'un chargeur séparé de la taille d'un paquet de cigarette. Selon Hitachi, l'alimentation directe par pile à combustible intégrée ne sera envisageable qu'une fois l'encombrement sera réduit encore de 70% ou le rendement électrique amélioré d'autant.

Dans la filière à hydrogène, l'autre voie à l'étude pour ce marché, la réduction de la taille s'obtient souvent en miniaturisant les différents composants d'une pile PEM. Le CEA à Grenoble explore une voie tout aussi inédite que prometteuse, inspirée de la micro-électronique. Le résultat est spectaculaire. La pile se présente sous la forme d'une pastille de silicium de 1 cm2, similaire dans sa construction à une puce électronique. Pour le moment, elle se limite à une puissance de 200 mW, suffisante pour l'alimentation de baladeurs MP3. Les chercheurs français espèrent d'ici à 5 ans atteindre le 1 W réclamé par le téléphone mobile. Cette technologie pourrait devenir un véritable jackpot pour STMicroelectronics, la société qui compte l'industrialiser.

Tout aussi intéressante, l'architecture proposée par PaxiTech représente une innovation dans la façon d'assembler plusieurs cÅ“urs de pile pour répondre aux besoins en tension et puissance d'applications comme l'outillage sans fil, le multimédia portable, le petit électroménager, l'éclairage professionnel ou les alimentations de secours. Issue en 2003 par essaimage du CEA à Grenoble, cette start-up développe des piles planaires à hydrogène de 2 à 150 W avec des tensions atteignant les 40 V. Au lieu d'être empilés, les éléments de base sont disposés cote à cote sur un même plan. La cathode d'un élément est reliée à l'anode de l'élément suivant. Résultat : la pile, qui utilise une enveloppe polymère et des électrodes de carbone couvertes de platine à l'échelle nanométrique, se présente comme une feuille de moins de 1 mm d'épaisseur susceptible de s'adapter à différentes formes de produits. Les coûteuses plaques bipolaires, utilisées dans l'assemblage traditionnel par empilement, disparaissent.

Une centaine de piles de 1 à 40 W devraient être ainsi produites cette année pour des applications niches.
Après celui e la miniaturisation, l'autre grand défi concerne le combustible. Sur ce plan, la filière méthanol a l'avantage. C'est pourquoi elle est la plus avancée en développement. Selon Hitachi, une recharge de 5 ml seulement assurerait une autonomie de 10 heures à un téléphone mobile 3G. Le méthanol, facile à stocker et à transporter, peut être conditionné dans des flacons en plastique jetables, comme l'a démontré Toshiba à la fin de 2005. Mais, outre le fait d'être inflammable, il est toxique. Son conditionnement et sa manipulation imposent des règles strictes de sécurité. Par ailleurs, son transport dans les avions reste à ce jour interdit. Un obstacle que l'organisation mondiale de l'aviation civile promet de lever en 2007.

Selon Patrick Maio, la filière au méthanol n'est une voie -  intéressante - de transition. Mais c'est la filière à l'hydrogène qui apparaît la plus prometteuse en terme de densité énergétique, même si elle se révèle plus problématique en matière de stockage de combustible. En effet, pas question d'utiliser ici de l'hydrogène à état gazeux ou liquide. On envisage de l'associer à un composé chimique sous forme d'hydrure, sorte de poudre qui libérerait l'hydrogène à la demande en réagissant avec un solvant ou de l'eau. Ainsi, il deviendrait aussi facile à stocker et à distribuer que le méthanol, mais avec une capacité massique bien plus faible, limitée souvent à quelques pourcents. Le Borhydrure de sodium (NaBH4) constitue actuellement le candidat le plus en vue.

Les Japonais prévoient la commercialisation de la pile au méthanol en 2007. Toshiba se montre le plus offensif. Selon son directeur de la technologie dans ce domaine, Fumio Ueno, la technologie est déjà bien au point. « Il reste juste à en vérifier la fiabilité, à adapter la réglementation et à mettre en place la logistique de distribution des cartouches de méthanol ». Un optimisme que ne partage pas du tout Christophe Pillot pour qui le démarrage commercial se situe plutôt vers 2010-2012. « Il faudra d'abord tripler les rendements pour arriver à un résultat acceptable ; du fait de la miniaturisation ils sont aujourd'hui extrêmement faibles - de l'ordre de 10%, contre 25 à 30 % pour les piles de quelques kilos. Il faudra ensuite baisser les coûts aux alentours de 0,5 dollar le Wh pour limiter le différentiel de prix à 20% par rapport aux batteries au lithium. Il faudra enfin mettre en place les canaux de distribution et standardiser la cartouche ou du moins son connecteur. Autant de questions qui demanderont encore du temps.»
Ridha Loukil
  

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