L'histoire de la pile à combustible a débuté avec les ouvrages des chimistes Henry Cavendish qui découvre les principales propriétés de l'hydrogène vers 1760. Puis William Grove entreprend des recherches d'électrolyse de l'eau. En 1838, Christian Friedrich Schoenbein alors qu'il pratiquait l'électrolyse de l'eau observe que lorsqu ' il coupe le courant électrique de l'électrolyseur, un courant inverse se produit : c'est le principe de la pile à combustible qui est découvert !
Ce n'est que bien plus tard, en 1960, que la NASA recherche un système d'alimentation électrique plus léger que des batteries conventionnelles pour alimenter ses capsules spaciales Mercury et Appolo lance un programme de recherche. C'est dans les laboratoires de General Electric que les premières piles à combustibles ont été produites pour les besoins de la NASA. De nos jours environ 80 firmes et laboratoires dans le monde entier (dont 60 aux USA), s'acharnent à améliorer cette technologie,
Dans la pile à combustible, aucune combustion n'a lieu; elle fonctionne sur la base d'une transformation chimique qui produit de l'électricité et de l'eau (dans le cas de la pile à hydrogène PEM).
Son principe de fonctionnement est extrêmement simple et ne requiert aucune pièce en mouvement. Cette réaction chimique s'opère à l'aide de deux électrodes séparées par une membrane (electrolyte)
En dehors de la pile à combustible (PEM) qui fonctionne à l'aide d'hydrogène et d'oxygène, il en existe différents types qui utilisent l'ethanol, le methanol(DMFC), l'acide phosphorique (PAFC), l'oxyde solide (SOFC), carbonate fondu (MCFC), ou l'alkaline (AFC).
De nos jours, on trouve des piles à combustible produisant des puissances de quelques watts, à des centaines de kilowatts.
Energie et Société
Nos sociétés occidentales
trouvent actuellement leur source d'énergie dans le pétrole,
le gaz naturel, le nucléaire, le charbon et l'électricité
produite par la consommation des trois sources cidessus et par la
force hydraulique (barrages) pour l'esentiel.
L'une de ces principales sources d'énergie, le pétrole va atteindre son “peak” de production dans une ou quelques dizaines d'années, puis se mettra à diminuer. De plus, l'utilisation des combustibles fossiles, pétrole, gaz, charbon, génère du C02 dont la prolifération peut produire un “effet de serre” sur le globe terrestre et induire un réchauffement de l'atmosphère. Pour ces différentes raisons, l'homme tente dès maintenant de réduire sa consommation de combustibles fossiles et cherche à les remplacer par des énergies renouvelables. L'électricité est le plus souvent le vecteur de ces nouvelles énergies produites par des éoliennes, des panneaux solaires photovoltaïques, des usines hydrauliques (barrages d'altitude, fil de l'eau, ) etc. Le principal inconvénient est qu' il n'est pas “stockable” à grande échelle et que son transport sur de longues distance provoque des pertes. La combinaison des énergies renouvelables de source éolienne, solaire photovoltaïque, solaire thermique, hydraulique (fil de l'eau, marée motrice) avec la technologie de l'hydrogène et de la pile à combustible offre des avantages multiples.
Barrage Hydro-électrique USA
Energie renouvelable, inépuisable :
Le soleil inonde chaque jour la terre de son rayonnement dont la puissance est de 1.7 x 10 puissance 17 watts, qui frappent le sommet de l'atmosphère. Plus de la moitié de ce rayonnement atteint la surface de la terre. Ceci représente environ 10'000 fois la puissance consommée par l'humanité en 2007. Il suffirait donc de capter cette énergie durant 10 secondes par jour ou une heure par an pour satisfaire notre consommation actuelle. Or, cette energie sera captée environ 12 heures par jour mais sur de petites surfaces comparées à la surface du globe terrestre.. On peut donc parler d'énergie renouvelable inépuisable.
Eoliennes au large (Danemark)
Comment cette énergie solaire sera captée et stockée ? C'est là que les progrès de la technologie de l'hydrogène vont apporter la solution.
Le captage du rayonnement solaire peut être effectué par des “fermes solaires photovoltaïques”. Installées dans les déserts, sur les montagnes, sur la mer, des unités de très grande puissance produisent de l'électricité qui sera ensuite transformé en hydrogène et oxygène, puis stockés dans différents types de “réservoirs” ou acheminés vers les centres de consommation par des gazoducs.
D'autres installations de dimension plus modestes équiperont les immeubles et les maisons individuelles. Une maison individuelle équipée d'environ 60 – 80 m2 de panneaux photovoltaïques, d'une capacité de stockage d'hydrogène et d'une pile à combustible serait parfaitement autonome du point de vue énergétique sous nos latitudes. Une telle installation fournirait l'énergie suffisante pour le chauffage, l'eau chaude, l'alimentation électrique de tous les appareils du ménage, surer la climatisation en été. Le propriétaire bénéficierait d'un supplément d'hydrogène pour alimenter sa voiture en carburant renouvelable.
Centrale Solaire photovoltaïque
Un autre type de centrale de production d'hydrogène fonctionne sur la base de très grandes unités de production de chaleur d'origine solaire. De grandes surfaces de miroirs focalisent l'énergie solaire sur une chaudière, alimentant une turbine à vapeur et alternateur pour produire de l'hydrogène (ou de l'électricité).. De telles centrales existent déjà et vont se multiplier dans les déserts, les montagnes, sur la mer, etc.
La transformation de charbon, de pétrole, de bois, de gaz en hydrogène peut sembler inefficace, mais elle présente l'avantage de centraliser l'émission de CO2 dans de plus grandes unités de production et de faciliter le “piègeage” de ce CO2.
D'autres sources d'énergie, comme la biomasse, la géothermie, la force marée-motrice, etc permettent de produire de grandes quantités d'hydrogène dans des sites éloignés, puis de les acheminer vers les centres de consommation.
Centrale solaire thermique
Energie propre :
Un énorme avantage de la technologie de l'hydrogène réside dans le fait que sa consommation ne génère pas de résidus nocifs, pas de pollution, “zéro émission de carbone”.
La transformation de l'hydrogène en électricité dans une pile à combustible (fuel cell) PEM se produit par un processus électrochimique sans combustion. Les seuls résidus de cette transformation sont de l'eau pure et un peu de chaleur. Notons ici que l'hydrogène peut également alimenter un moteur à combustion interne tel que ceux qui équipent nos voitures à essence aujourd'hui. Toutefois, le rendement énergétique de la pile à combustible + moteur électrique est bien supérieur à celui du moteur à combustion interne.
Usine maréemotrice (France)
Hydrogène, la promesse...
Le vecteur hydrogène permet de produire et d'emmagasiner une énergie renouvelable, efficace et propre, ce fait est largement démontré. De nos jours, de nombreuses sociétés, de nombreux laboratoires publics ou privés de par le monde font avancer la science. Les piles à combustible de divers types voient leur performance s'améliorer. Des modes de production de l'hydrogène autres que l'électrolyse de l'eau se précisent aussi.Les capacités des moyens de stockage ou de distribution de l'hydrogène progressent, notamment dans le domaine des hydrures métalliques.
Ile solaire
Aujourd'hui, le monde est au travail pour le développement des technologies de l'hydrogène. Les recherches de laboratoire continuent, mais déjà de nombreuses réalisations techniques existent. Dans les transports par exemple, aux USA et en Allemagne, plusieurs dizaines de stations service délivrent de l'hydrogène à des véhicules mus par des piles à combustible alimentant des moteurs électriques. A Hambourg, une trentaine de bus à hydrogène transportent chaque jours de milliers d'usagers du réseau urbain. Un vélo électrique produit par Horizonfuelcell vient d'être mis sur le marché. Sa réserve d'hydrogène lui confère une autonomie de plus de 300 kilomètres.
La “société de l'hydrogène” est en marche et son développement est très prometteur. Elle permet d'envisager l'avenir avec confiance...
