Le moteur à hydrogène
B. De nouveaux marchés à conquérir
Les progrès incessants de la science sur la pile à combustible, dont les développements remontent à 1960 permettent de l'adapter à diverses machines. Cependant, il faut que chaque pile à combustible soit adaptée à son support d'utilisation. De ce fait, les chercheurs ont mis au point différentes piles à combustible.
Bien que le principe de base soit toujours le même, les techniques mises en oeuvre au sein des piles à combustible sont très variées. Une des composantes fondamentales est l'électrolyte utilisé. Cet élément rend possible la migration d'ions spécifiques, d'une électrode à l'autre.
Le type d'électrolyte utilisé va déterminer la température à laquelle la pile va fonctionner, on distingue alors 5 types de piles à combustible:
- Pile à membrane polymère ou à échange de proton ou PEMFC/DMFC (80°C)
- Pile à combustible alcaline ou AFC (100°C)
- Pile à acide phosphorique ou PAFC (200°C)
- Pile à carbonates fondus ou MCFC (700°C)
- Pile à électrolyte solide ou SOFC (800-1000°C)
Trois pôles d'utilisations sont alors à considérerer : les centrales électriques, les centrales cogénératrices et les transports.
Les centrales électriques
Les piles à combustible présentent un intérêt réel pour la production décentralisée en sites urbains ou isolés.
Les compagnies électriques ont en effet de plus en plus de difficultés à implanter de nouvelles lignes électriques et de grosses centrales. La demande d'électricité étant en constante progression et la déréglementation ouvrant le marché de l'électricité à la concurrence, de nombreux électriciens devront être en mesure de produire de l'électricité à proximité des utilisateurs. C'est en cela que la pile à combustible peut être utilisée.
Les centrales de cogénération
La cogénération permet d'augmenter le rendement d'un système de production électrique grâce à la récupération de la chaleur "perdue" à la source froide, pour un usage dans les secteurs tertiaire ou industriel. Par rapport au schéma proposé le principe serait de remplacer la chambre à combustion par une pile à combustible.
Les deux types de piles qui sont généralement considérées en cogénération sont les piles à acide phosphorique (PAFC, phosphoric fuel cells) et les piles à carbonates fondus (MCFC, molten carbonate fuel cells)
Au japon, une usine de conception Fuji Electric utilise des PAFC fonctionnant au gaz naturel.
L'électrolyte des piles PAFC est l'acide phosphorique (H3PO4) et la température de fonctionnement se situe entre 180 et 210 °C
L'acide phosphorique présente l'avantage de posséder une faible tension de vapeur jusqu'à des températures très élévées. Il a cependant l'inconvénient de se solidifier en dessous de 42°C, en augmentant son volume. En cas d'arrêt, la pile doit donc être maintenue à une température minimalde 45 °C pour éviter l'endommagement des électrodes. Sa densité de puissance est de l'ordre de 100 à 300 mW/cm².
Transports
Pour ce qui est des transports on distingue deux applications des piles dans le domaine de l'automobile : la propulsion du véhicule et l'alimentation en électricité des appareils de bord (climatisation, appareils électroniques, confort), à l'aide d'une APU (auxiliaire power unit ). La pile à combustible utilisée pour la propulsion sera le PEMFC, la SOFC et les piles alcanines sont destinées aux APU.
Enfin pour ce qui est du carburant l'hydrogène est par définition le meilleur carburant pour alimenter la pile à combustible : pas d'émission de CO2 et meilleurs performances pour la pile.
Actuellement, l'hydrogène pourrait-être utilisée pour améliorer les performances des véhicules électriques : augmentation de l'autonomie et diminution du temps de charge.
Le marché le plus juteux est de toute évidence celui des transports automobile mais cependant l'idée est assez vieille et peine à se réaliser. Ainsi dès les années 80, les ingénieurs japonais annonçaient l'arrivée prochaine des véhicules électriques fonctionnant grâce à une pile à combustible. Aujourd’hui, Toyota devrait enfin confirmer, au Salon automobile de Tokyo, la mise sur le marché en 2015 d’une petite berline fonctionnant à l’hydrogène. Et ainsi s’imposer comme l’un des leaders de cette technologie propre, qui fait réagir du dihydrogène avec du dioxygène de l’air pour former de l’énergie électrique et de l’eau, sans rejeter de CO2.
Après des années d’atermoiements, ces constructeurs sont convaincus qu’un véritable marché se dessine avec le durcissement programmé, notamment en Californie, des réglementations sur la pollution. Ils assurent que la pile à combustible sera préférée aux solutions électriques à batteries rechargeables. La nouvelle voiture de Toyota peut faire le plein d’hydrogène en trois minutes et affiche une autonomie d’au moins 500 kilomètres. Les fabricants notent encore que les prix, qui ont longtemps effrayé les états-majors ont chuté.
« Il y a dix ans, une voiture à pile à combustible coûtait 1 milliard de yens (10 millions de dollars) à produire », se souvient Toru Hatano, un analyste d’IHS. Dans deux ans, Toyota devrait proposer sa version à 5 millions de yens (50.000 dollars). » Dans le même temps, les chercheurs ont sécurisé leurs véhicules et notamment les réservoirs d’hydrogène soupçonnés d’exploser facilement. Chez Toyota, les ingénieurs n’ont pas hésité à tirer au fusil dessus pour les éprouver.
Malgré ces progrès, les analystes restent mesurés. « Les prix restent élevés et le manque de stations d’hydrogène dans le monde va poser problème », note Toru Hatano. Tentant de remédier à ce problème, la maison de commerce Toyota Tsusho, contrôlée à hauteur de 22% par Toyota Motor, compte ouvrir l’an prochain avec Air Liquide deux premières stations à Nagoya et Toyota. « Mais le gouvernement va devoir déréguler ce secteur et revoir à la baisse ses standards de sécurité délirants s’il veut voir des investissements », prévient un expert. Tokyo, qui veut encourager ses constructeurs, a promis 100 stations d’hydrogène d’ici à 2015 dans 4 grandes villes et le long des autoroutes les reliant.
Le domaine de l'aviation
Le Ion Tiger :
C'est un drone à hydrogène capable de voler en autonomie pendant une durée de près de 24h.. Le principe serait d'appliquer une fonction civile à ce drône qui revait pour l'instant une fonction purement militaire.
L'avion hybride hydrogène-énergie solaire :
Il existe aussi un avion fonctionnant à l'hydrogène et à l'energie solaire. Pour cela, il est équipé d'une propulsion électrique hybride 25 % solaire et 75 % hydrogène. Il est composé de 43m² de panneau solaire et d'une pile à combustible afin d'éffectuer le premier vol transatlantique « zéro carbone » piloté par Raphaël Dinelli. L’avion devrait être construit entre janvier et août 2014. Le budget de l'appareil est pour l'instant de 5.7 millions d'euros.
Un avion à propulsion déstiné au transport important de passagers :
La société d'aéronautique américaine Boeing a annoncé avoir fait voler pour la première fois au début 2008 en Espagne un avion propulsé par une pile à hydrogène. L'annonce a été faite par John Tracy, le directeur de recherche de Boeing, lors d'une conférence de presse donnée au centre de recherche du groupe à Ocaña au cours de laquelle il a assuré qu'il s'agissait d'une « première dans l'histoire de l'aviation ». L'avion expérimental blanc à hélice, d'une envergure de 16,3 mètres pour une longueur de 6,5 mètres et d'un poids de 800 kilos, a réalisé un vol de 20 minutes environ à 100 km/h de moyenne et à une altitude de 1000 mètres selon le constructeur qui décrit cette performance comme « pleine de promesses pour un futur plus vert ». Cependant, le décollage de l'appareil a été réalisé grâce à un moteur hybride moitié lithium, moitié pile à combustible, et l'utilisation d'une pile à combustible comme énergie principale pour les avions de grande taille n'est pas planifiée pour ces prochaines années, l'utilisation de l'hydrogène posant encore de nombreux problèmes de production, de stockage et de rentabilité économique.
Le domaine maritime et nautique
L'hydroxy 3000, un catamaran familial :
L'Institut d'Energie et Systèmes électriques a développé des prototypes de bateaux à propulsion électrique équipés de piles à combustible de 100 et de 300 W ("Hydroxy 100", "Hydroxy 100 LS", "Hydroxy 300"). L'expérience acquise lors de ces projets a permis de développer un catamaran plus grand, dans le but de continuer à tester l'utilisation des piles à combustible dans des conditions réelles, avec cette fois un bateau familial utilisable pour la navigation de plaisance sur les lacs ou les canaux.
Avec une efficacité environ deux fois meilleure que les moteurs à combustion à essence utilisés aujourd’hui dans la navigation, la pile à combustible offre de meilleures performances, même avec une énergie de production non-renouvelable. La plus faible puissance nécessaire offrent cependant des perspectives plus réalistes pour la fourniture de combustible renouvelable ; par exemple, 5 à 10 m2 de panneaux solaires photovoltaïques suffisent à produire l’hydrogène nécessaire au fonctionnement annuel du bateau Hydroxy3000. L’absence d’essence à bord des embarcations exclut toute pollution des eaux et évite la pollution de l’air (lors de l’utilisation). Cette technologie limite fortement le bruit, nouvelle forme de pollution de moins en moins acceptée.
Un bateau à grande vitesse :
Après les bateaux électriques fonctionnant au gaz naturel ou encore les bateaux hybrides, voici un bateau à moteur à hydrogène et de conception 100% française. Conçu et imaginé par la société française Luxury basée à Quimper dans le Finistère, ce bateau à moteur possède la particularité de fonctionner à l’hydrogène. Baptisé du nom de MIG 675, ce bateau offshore a une vitesse de croisière de 45 nœuds et peut atteindre les 70 nœuds en pointe, avec à chaque fois zéro émissions de co2.
Finalement, les entreprises ont réussi à développer un moteur à hydrogène adapté aux besoins personnels. Ainsi, en créant des véhicules à la fois plus performant et économique, ces entreprises misent sur un moteur à hydrogène ouvert à tous, pour une utilisation à la fois civile ou privée.