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Avis d'expert

[Cahier Technique] L'hydrogène- énergie s'impose dans le monde industriel

La rédaction

Les progrès réalisés dans les piles à hydrogène depuis les années 2000 et la transition énergétique ont donné un nouvel élan à la R & D. Les projets se sont multipliés et des solutions industrielles apparaissent pour élargir les applications de l’hydrogène-énergie.

L'hydrogène comme vecteur énergétique est une idée qui se concrétise aujourd’hui, transition énergétique oblige. S’interroger, en citoyen éclairé, sur ce que devrait être notre futur énergétique conduit à se poser la question de la ressource. Est-elle abondante et peut-elle être utilisée avec sobriété ? Quelles sont ses performances et sa durabilité ? Est-elle renouvelable à l’échelle de la vie humaine ? Son exploitation et son utilisation respectent-elles l’environnement et les individus ? Est-elle accessible à tous et partout ? Les contextes applicatifs sont-ils multiples [1] ? L’hydrogène a la particularité de répondre à l’ensemble de ces exigences. Il constitue l’élément le plus abondant de l’univers, dont il représente 75 % de la masse et 92 % des atomes. Sur Terre, il n’est malheureusement que rarement présent sous la forme de molécules stables de dihydrogène. Il va donc falloir le produire. Point positif, la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est très facile et le procédé peut même être propre si l’électricité utilisée est d’origine renouvelable. S’illustre ici la dualité entre les deux vecteurs énergétiques que sont l’hydrogène-énergie – le second terme souligne la finalité recherchée – et l’électricité. Évidemment, les rendements ne sont pas unitaires, mais le passage électricité-hydrogène peut atteindre des rendements de 70 % et le passage hydrogène-électricité des rendements de 60 %. La valorisation systémique des déperditions thermiques associées permettra d’augmenter l’efficience énergétique globale.

Autre intérêt de l’hydrogène, sa très grande densité énergétique. Avec 33 kWh/kg, celle-ci est trois fois plus élevée que celle de l’essence. Si l’on retient l’hypothèse d’une génération d’hydrogène par électrolyse de l’eau, sa production devient en outre possible quasiment en tout point de la planète, réduisant d’autant les possibles tensions géopolitiques liées à l’accès aux ressources fossiles énergétiques [2].

L’hydrogène peut convenir à toutes les applications actuelles ou potentielles de l’électricité. Cela s’explique par la facilité avec laquelle il est possible de passer de l’électricité à l’hydrogène et inversement, grâce à un électrolyseur d’eau et une pile à combustible. Le tout sans émission d’aucun polluant in situ. Le vecteur hydrogène constitue donc une solution de stockage d’électricité à long terme dans de multiples usages : groupes électrogènes stationnaires propres et silencieux, petites alimentations électriques nomades pour le tourisme, dispositifs de production d’électricité, d’eau chaude sanitaire et de froid pour les bâtiments industriels et l’habitat, stockage sur des réseaux ou microréseaux électriques, transports…

1. Principe

La pile à combustible revient en force

La pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de manière continue l’énergie chimique d’un combustible et d’un comburant en énergie électrique, chaleur et différents sous-produits de réaction. Elle se distingue d’un accumulateur électrochimique traditionnel, comme la batterie, à plusieurs niveaux. D’abord, le combustible est fourni en continu et stocké à l’extérieur de la pile. Il existe donc de manière intrinsèque un découplage entre l’énergie, contenue dans le stockage, et la puissance, qui dépend de la pile à combustible. Enfin, la recharge est possiblement très rapide.

Une pile à combustible est constituée de cellules unitaires composées chacune de deux électrodes (l’anode et la cathode) séparées par un électrolyte (fig. 1). L’anode est alimentée par un combustible qui peut être de l’hydrogène ou du méthanol. La cathode reçoit un oxydant, par exemple de l’oxygène. Entre les deux, l’électrolyte doit impérativement être un bon conducteur ionique pour laisser passer les ions H+ et un isolant pour que les électrons puissent être extraits. L’assemblage des deux électrodes et de l’électrolyte est nommé AME (assemblage membrane électrode).

Plusieurs cellules unitaires sont ensuite empilées dans un stack (fig. 2) alimenté par les gaz réactifs, eux-mêmes distribués au moyen de plaques bipolaires. Le dimensionnement de l’empilement permet d’ajuster la tension de la pile et le courant maximum capable de la traverser. La tension recherchée est définie par le nombre de cellules élémentaires associées en série électriquement. Chaque cellule présente une tension à vide – lorsqu’aucune charge n’est branchée – de l’ordre de 1 V et une tension nominale de fonctionnement de l’ordre de 0,7 V. Le courant maximal pouvant traverser la pile dépend, lui, de la surface de chaque cellule unitaire. Des densités de courant de l’ordre de 2 A/cm2 sont aujourd’hui classiquement atteintes. Enfin, les densités de puissance des piles à combustible atteignent couramment des valeurs de l’ordre de 2 kW/kg.

Les premiers travaux sur la pile à combustible datent de 1839. Longtemps éclipsée par la découverte de l’or noir, celle-ci a été remise au goût du jour par la Nasa dans le cadre de la conquête spatiale, au milieu des années 1960. À partir des années 2000, les développements scientifiques et technologiques se sont succédé, afin d’améliorer l’efficacité énergétique et réduire l’empreinte environnementale. Récemment, on a observé une accélération de la recherche, marquée par une croissance exponentielle des développements, des projets de démonstration, des acteurs industriels impliqués et des produits arrivant sur le marché.

Il existe différentes piles à combustible, qui peuvent être classées selon leur température de fonctionnement, la nature solide ou liquide de l’électrolyte utilisé et les applications envisagées. Parmi elles, les piles à membrane échangeuse de protons, dites PEMFC (proton exchange membrane fuel cells), concentrent une grande partie de la R & D mondiale et visent aussi bien les applications dans le transport que les applications stationnaires. La technologie PEMFC fonctionne à basse température, permet un démarrage rapide, possède un électrolyte solide et supporte relativement bien les intermittences. Ce type de pile à combustible doit être alimenté par de l’hydrogène du côté de l’anode, et par de l’oxygène, généralement issu de l’air ambiant, du côté de la cathode. On parle donc aussi couramment de pile à hydrogène. Ainsi alimentée, elle produit de l’électricité, de la chaleur et de l’eau.

2. Mise en œuvre

Interdisciplinarité scientifique

Cependant, cette pile à hydrogène ne peut pas fonctionner seule, il faut l’intégrer au sein d’un système (fig. 3) composé de plusieurs équipements indispensables. L’alimentation en hydrogène et en air (ou oxygène) est située en amont du cœur de la pile. Un sous-système de gestion thermique permet de récupérer, utiliser ou dissiper la chaleur produite. Un autre sous-système traite l’énergie électrique produite par la pile. Générée sous forme de courant continu, l’électricité peut être stockée directement dans un dispositif qui est souvent de nature électrochimique – comme une batterie – ou électrostatique. Pour être utilisée, par exemple par un moteur électrique, l’électricité produite par la pile ou extraite du stockage en courant continu doit être transformée en courant alternatif.[…]

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