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Énergie nomade : les piles à combustible arrivent

Christian Guyard

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Tours (Indre-et-Loire), 9 - 10 octobre 2007. Du microwatt au kilowatt pour les applications nomades et la production distribuée d'énergie, les piles à combustible affûtent leurs performances.

Beau succès pour Nest 2007, la première manifestation du pôle de compétitivité S2E2, Sciences et systèmes de l'énergie électrique. Pendant un jour et demi, trois cents spécialistes sont venus discuter des derniers développements en matière de génération d'énergie dans la gamme du microwatt au kilowatt, avec des conférenciers venus d'Europe mais aussi des États-Unis.

Moteur de cette demande de générateurs, les besoins croissants des dispositifs électroniques nomades qui ne peuvent plus se contenter de la réserve d'énergie procurée par les batteries classiques ni de la contrainte du raccordement au réseau pour la recharge. Dans le secteur médical, les capteurs déportés et isolés consomment de l'énergie de manière plus ou moins continue, en faible quantité, mais veulent de la fiabilité. Dans le domaine du kilowatt à la dizaine de kilowatts, les loisirs (navigation, camping-car, etc.) réclament de l'énergie pour les éclairages, l'électronique, la réfrigération. Les secours d'urgence après une catastrophe de grande ampleur ont eux aussi besoin de sources autonomes et immédiatement opérationnelles. Mais à l'avenir, les installations fixes seront concernées en maison individuelle ou petit immeuble : la production distribuée et la mise en réseau devront répondre aux préoccupations d'efficacité énergétique et réduire les émissions de gaz à effet de serre.

André Brockmoeller, senior manager innovation department de Nokia, a planté le décor : autonomie ! C'est le maître mot pour ce qu'on appelle encore un téléphone portable, mais qui devient un véritable terminal multimédia. Mathieu Roy, responsable R&D pour les applications portables des piles à combustible chez STMicroelectronics, insiste sur la face cachée actuelle des appareils nomades : une multitude de chargeurs différents, des temps de charge de plusieurs heures et l'indispensable accessibilité au réseau électrique.

Méthanol ou hydrogène en cartouches jetables

Les piles et batteries sont insuffisantes, le passage à la pile à combustible est obligé. Avec elle, l'autonomie devient infinie pour peu que l'on dispose du combustible. Pour ces applications nomades, les besoins se situent dans la gamme de 3 W. La pile à combustible ne supprime pas la batterie de l'appareil qui reste en place pour encaisser les pics de consommation électrique. Les premiers dispositifs qui arriveront sur le marché seront externes à l'appareil ; la génération suivante, plus compacte, se fixera sur l'appareil ; à terme la pile à combustible sera intégrée au portable.

Comment remplir le réservoir et avec quoi ? Il n'y aura pas de "passage à la pompe". Il est trop risqué de fournir le carburant en vrac : carburant pollué ou non conforme à la pile, problème d'exposition des personnes au produit. Le choix s'oriente vers le conditionnement en cartouches jetables ou reconditionnables, pratique et sûr. La cartouche contiendra du méthanol pour les piles à combustible DMFC (direct methanol fuel cell développée par l'américain DMFC Corp) ou d'autres composés (éthanol, formaldéhyde, etc.).

Carl Kukkonen, CEO de Viaspace (dont DMFCC est filiale) a expliqué la stratégie de la société qui consiste en une forte protection par les brevets et une politique de licences, une normalisation de fait du dispositif et la constitution d'un réseau mondial de distributeurs de cartouches. Rien ne débouchera dans le domaine si l'utilisateur ne peut pas trouver une cartouche comme aujourd'hui on achète un briquet jetable.

Pour les piles à combustible à l'hydrogène, la cartouche contiendra du borohydrure de sodium et de l'eau dont la réaction dégage l'hydrogène souhaité. STMicroelectronics a retenu la pile à combustible à hydrogène développée par le CEA-Liten (accord signé en juillet 2007), comme l'explique Mathieu Roy. « Il existe deux grandes options : soit le méthanol, soit l'hydrogène avec des coeurs de pile aux performances très différentes. L'hydrogène est le meilleur puisque des performances de 350 mW/cm2 ont été démontrées avec un système entièrement passif, et l'on espère monter à 800. Le méthanol atteint 30 à 40 mW/cm2 ; si l'on veut plus, il faut des températures de 90 °C, donc avoir un système actif. En termes d'énergie par unité de masse, méthanol et borohydrure sont comparables. STMicroelectronics vise pour 2009-2010, une pile de 5 V, sous 500 mA, soit 2,5 W avec une surface de coeur de 10 cm2. »

John Battaglini, vice-président des ventes de Millenium Cell (États-Unis) confirme également ce choix pour l'hydrogène en utilisation nomade ou d'urgence (catastrophes) avec des moyens nouveaux de production d'hydrogène par réaction entre deux solides.La lutte promet d'être féroce entre les deux technologies. « Si le méthanol est en avance sur le plan des réglementations, notamment pour ce qui est des transports en cabines d'avion, l'hydrogène est plus performant. Il faut donc convaincre les autorités, mieux les informer vis-à-vis de ce gaz des quantités effectivement en jeu et de la fiabilité des conditionnements », explique Ricardo de Sa Earp, vice-président de STMicroelectronics.

Des puissances moyennes de 1 à 50 kW

L'un des verrous à tout cela est le fabricant de cartouches qui pourrait être le grand gagnant de la mobilité. « Peu de sociétés dans le monde sont capables de fabriquer ces petits objets de manière fiable en très grandes séries », affirmait Ken Cooper, directeur du développement stratégique de Bic, société connue pour ses briquets (4 millions par jour), stylos et rasoirs (respectivement 22 millions et 11 millions par jour). « Les piles à combustible sont une opportunité pour nous, nous savons faire de petits objets, qui fonctionnent du premier coup, à des millions d'exemplaires par jour. Si les produits sont simples, la manière de les produire relève de la haute technologie. »

La production autonome d'électricité, de un à quelques dizaines de kilowatts, se développe. Une voie privilégiée est le SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) qui fait l'objet de recherches intenses dans le monde comme l'a exposé John A. Kilner de l'Imperial College (Royaume-Uni). Ces générateurs fonctionnent à 1 000 °C. Problème à surmonter : la tenue des matériaux dans le temps avec des cycles thermiques. La tendance est d'abaisser les températures vers 650 - 700 °C pour une deuxième génération de SOFC utilisant des couches minces de céramique sur Inox, et l'espoir d'obtenir une troisième génération vers 400 - 500 °C.

De nombreux composés sont testés comme les perovskites, des ferrites à base de lanthane et strontium. Les recherches portent sur l'agencement des couches actives d'oxydes et la circulation du carburant et de l'air pour parvenir à des dispositifs compacts, sans problème d'étanchéité.

Les classiques piles à combustible à membrane échangeuse d'ions et hydrogène n'ont pas dit leur dernier mot. Le développement, lancé en 2001 chez Helion, devrait déboucher dès 2008 sur un générateur de 20 kW pour essais de longue durée avec comme date de commercialisation 2010. Mais dès maintenant, des systèmes sont sur le marché, ainsi celui de la société Voller Energy (voir encadré).

Reste que, dans toutes les applications de puissance moyenne à poste fixe, va se poser le problème du débit du courant sur le réseau. Il faut repenser totalement la distribution électrique si la production distribuée s'accroît fortement (on le voit déjà avec l'éolien, la cogénération et le photovoltaïque) et développer aussi des dispositifs et des architectures spécifiques. C'est tout l'objet du programme Intelligent Energy Network and Storage qui se met en place et qui sera lancé par l'Ademe et des partenaires industriels début 2008.

UN FILM SOUPLE POUR GÉNÉRATEUR

Solution à base d'adhésifs, la FuelCellSticker est la technologie proposée par Anders Lundblad, de la société suédoise MyFC. Les performances annoncées sont de 600 mW/cm3 pour la densité de puissance, avec une puissance surfacique de 300 mW/cm2 en surface utile. La matière active est sous forme d'un film souple coincé entre une plaque de base en acier inoxydable et une grille de maintien du film. La société insiste sur le caractère souple qui permet d'avoir un générateur de forme adaptée au produit à alimenter. Le prototype MFCR1636 a une dimension de 16 x 36 mm sur une épaisseur de 2,6 mm et fournit en pointe 0,9 W à 0,5 V, ou en nominal 0,6 W à 0,6 V. Il est possible de coupler quatre éléments pour obtenir en pointe 3,2 W à 2 V ou 2,4 W à 2,4 V en continu.

TECHNOLOGIE MICROÉLECTRONIQUE POUR EFFET PELTIER

Le refroidissement par effet Peltier est bien connu depuis longtemps : en alimentant un matériau thermoélectrique par du courant, on produit du froid, ou l'inverse, on produit du courant à partir d'un gradient thermique. L'astuce de Micropelt est de générer directement le matériau actif et son agencement en milliers de cellules élémentaires en utilisant les méthodes de la microélectronique. On arrive à une densité d'une centaine par millimètre carré, par exemple 578 sur une surface de 2,5 x 2,5 mm2. Micropelt lance une fabrication sur tranche standard de silicium 4 ou 6 pouces. Applications visées : tout ce qui est autour du milliwatt.

LE KILOWATT POUR LES LOISIRS

Sans bruit ni vibration, propre, du courant à hauteur de un kilowatt et environ le double en chaleur disponible à 65 °C. C'est la solution proposée par Voller Energy avec sa pile à combustible Emerald fonctionnant au GPL. Dans un volume de 580 x 450 x 795 mm, la société a logé le désulfureur, le convertisseur catalytique de production d'hydrogène et la pile à combustible auquel il faut ajouter un volume de 510 x 270 x 150 mm pour l'unité de refroidissement. Un volume important mais pas rédhibitoire sur un bateau de plaisance ou un camping-car. Tout l'intérêt est d'utiliser ce générateur pour recharger un ensemble de batteries. Le lancement commercial est prévu pour le début 2008.

RECHERCHEUN PÔLE DE COMPÉTITIVITÉ POUR L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Nest 2007 a été organisé par le pôle de compétitivité S2E2 établi à Tours (Indre-et-Loire), avec l'appui important de STMicroelectronics, qui dispose ici d'une unité de production. Le pôle compte une quinzaine de groupes internationaux et une quarantaine de PMI, de nombreux laboratoires publics et privés et les universités d'Orléans, Tours et Limoges, ainsi que cinq écoles d'ingénieurs. En 2007, 38 millions d'euros de programme ont été retenus dont 10 millions financés. Il s'articule sur quatre thématiques : la conversion d'énergie, les nouvelles sources d'énergie dont les piles à combustible, l'efficacité énergétique dans les bâtiments et les capteurs pour l'énergie. Parmi les projets, on peut noter le projet Sesame de gestion délocalisée de l'énergie, et Carene pour la gestion de l'énergie founie par une diversité de sources (énergies renouvelables, stockage, réseau) dont il faut optimiser les proportions relatives en fonction des disponibilités instantanées.

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