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La pile à combustible hydrogène

Peut-être avez-vous déjà entendu parler de la pile à combustible comme alternative possible aux énergies fossiles, notamment dans le domaine automobile. A première vue, elle permet d'éliminer les émissions locales de gaz à effet de serre en ne rejetant que de la vapeur d'eau de nos pots d'échappements.

La pile à combustible est-elle une solution viable pour réduire les émissions de gaz à effet de serre?

Pour répondre à cette question, il nous faut d'abord comprendre le fonctionnement d'une pile à combustible et son utilité première.

Pile à combustible embarquée dans l'avion électrique Hy4. L'hydrogène est converti en électricité pour alimenter le moteur de l'appareil d'une puissance de 80 kilowatts © DLR

Principe d'une pile à combustible

Si l'on classe les différentes piles à combustible en fonction du combustible utilisé, il en existe 3 types:

- les piles à combustible à Tétrahydruroborate de sodium (NaBH4), qui ne peuvent produire que de faibles puissances

- les piles à combustible au méthanol, qui rejettent du CO et du CO2

- les piles à combustible à hydrogène.

Nous nous intéresseront donc aux piles à combustible à hydrogène qui sont les plus utilisées.

Une pile à combustible est composée d'une anode et d'une cathode qui sont à la fois reliées par un conducteur électrique et par un électrolyte.

A l'anode, il y a le combustible qui est le dihydrogène et à la cathode le comburant qui est le dioxygène (présent dans l'air).

Un catalyseur, généralement du platine, permet de déclencher la réaction du combustible et du comburant qui va entrainer la production d'eau d'une part, et d'électricité d'autre part.

En effet, l'électrolyte permet le passage des ions H+ vers le la cathode et bloque le passage des électrons qui vont alors circuler dans le conducteur électrique (production d'électricité) : H2 (g) = 2 H⁺ (aq) + 2 e^-

Une fois les ions et les électrons s'étant déplacés dans la cathode, la réaction ayant provoquée leur déplacement produit de l'eau : 2 H2 (g) + O2 (g)  = 2 H2O (l)

En résumé, une pile à combustible à hydrogène utilise du dihydrogène et de l'air pour produire de l'eau et de l'énergie sous forme électrique.

Principaux avantages et inconvénients

La pile à combustible à hydrogène a deux avantages de poids par rapport aux moteurs thermiques.

Elle ne rejette aucun élément polluant lors de la distribution d'énergie, ce qui en fait un allié précieux dans la lutte contre le réchauffement climatique.

Dans une voiture, elle est couplée avec un moteur électrique qui a un rendement plus élevé qu'un moteur thermique classique. En effet, avec un 1kWh thermique produit à partir de carburant fossile, on obtiendra 0,2 à 0,4 kWh d'énergie mécanique, le reste se dissipant sous forme de chaleur. Tandis qu'avec 1kWh électrique, on obtiendra 0,5 à 0,6 kWh d'énergie mécanique.

Cependant, la pile à combustible a aussi un gros inconvénient. L'hydrogène n'existe pas à l'état naturel sur notre planète. C'est à dire que contrairement aux carburants fossiles, l'hydrogène ne peut pas être extrait mais doit être produit. Bien entendu la production d'hydrogène nécessite de l'énergie, elle nécessite même plus d'énergie que ce que l'on récupérera ensuite grâce à la pile à combustible (pertes lors de la transformation de l'énergie), ce qui fait de l'hydrogène un vecteur énergétique.

L'hydrogène comme vecteur énergétique

On peut produire le dihydrogène de différentes manières:

- A partir d'hydrocarbures, par craquage à haute température dans des usines. C'est la méthode la plus utilisée, mais elle provoque des rejets conséquents de gaz à effet de serre dans l'atmosphère (séparation du carbone et de l'hydrogène et production de CO et de CO2 en parallèle du dihydrogène). L'utilisation de pile à combustible dans l'automobile ne fait que délocaliser (au mieux) les rejets de gaz à effet de serre si l'on produit l'hydrogène de cette manière.

- Par électrolyse de l'eau, il s'agit simplement de la réaction inverse de celle d'une pile à combustible telle que décrite précédemment. Il est possible de réaliser l'électrolyse dans une pile à combustible, et ainsi de stocker et de produire de l'énergie avec une seule pile à combustible à des moments différents selon les besoins.

- Par thermolyse de l'eau, en apportant de l'énergie sous forme de chaleur (pour des très hautes températures), on peut décomposer la molécules d'eau en oxygène et en hydrogène. Ce procédé peut être intéressant si l'on a de l'énergie thermique disponible à haute température, dans des centrales solaires à concentration par exemple (Cf. centrales solaires à concentration), plutôt que de transformer cette énergie thermique en énergie électrique pour ensuite réaliser une électrolyse.

Un vecteur énergétique (ou vecteur d'énergie) est une méthode permettant de transporter de l'énergie d'un endroit à un autre.

L'hydrogène est un vecteur énergétique car il permet de transporter de l'énergie produite à un endroit (par exemple une centrale solaire à concentration) jusqu'au lieu où sera consommée cette énergie (par exemple une voiture).

Mais ce transport n'est pas gratuit, le rendement global entre le moment où l'énergie sera transformée sous forme d'hydrogène et le moment où cette énergie sera consommée n'est que de 25% environ. C'est donc une solution de stockage à long terme très propre mais avec un rendement assez faible, qui a du sens seulement si l'énergie servant à produire l'hydrogène provient d'énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique...).

La pile à combustible peut par exemple servir à stocker l'énergie solaire en surplus pendant les heures ensoleillées pour la redistribuer lors de pic de consommation dans le cas d'une habitation autonome.

Freins au développement des piles à combustible

La pile à combustible est un système propre seulement si l'hydrogène utilisé est produit à partir d'énergies renouvelables. Le développement des piles à combustible est donc fortement lié au développement des énergies renouvelables. Elle pourra être utile dans la réduction des gaz à effet de serre à condition que les énergies renouvelables connaissent un développement considérable dans les années à venir.

Aujourd'hui, la plupart des piles à combustible sur le marché utilisent du platine comme catalyseur. Les ressources en platine sont limitées, de sorte qu'elles ne pourraient assumer le renouvellement du parc automobile si l'on équipait tous nos véhicules de piles à combustible. Cependant, le platine peut être remplacé par d'autres matériaux, de nombreuses recherches sont réalisées sur ce sujet.

En conclusion, la pile à combustible est un moyen de stockage et de redistribution de l'énergie intéressant (et non un moyen de production d'énergie) car il est plus propre que les batteries électriques classiques (plomb et lithium, Cf. Powerwall). Mais son faible rendement global nécessite que l'hydrogène utilisé soit produit à partir d'énergies renouvelables par électrolyse ou thermolyse de l'eau sous peine de ne faire qu'accentuer les émissions de gaz à effet de serre.