Créé le : 03/08/2009
Les informations fournies ci-après ont pour but de décrire les principales avancées de la recherche. Elles concernent notamment : l'alimentation de la pile à combustible (3 documents), le stockage de l'hydrogène (5 documents), le catalyseur de la pile (1 document) et l'optimisation globale des piles (3 documents). Signalons que ces différents points ont été décrits (problèmes récurrents, solutions envisagées) dans la note « Piles à combustible embarquées : Ėtat des lieux, perspectives ». ALIMENTATION EN HYDROGENE Le projet BIOSTAR, coordonné le CETH (Compagnie d'Etudes des Technologies de l'Hydrogène) et financé par l'ADEME, a pour objectif de développer un reformeur d'éthanol agricole, dans l'objectif de production de l'hydrogène utile à une pile à combustible PEM de 1,5 kWe environ. De tels systèmes existent déjà, bien sûr, mais ce projet a pour objectif d'améliorer les rendements et d'abaisser les coûts de fabrication. Le réacteur utilise ici une membrane métallique composite sélectivement perméable à l'hydrogène fonctionnant à haute température (jusqu'à 550°C). Les systèmes issus de ce projet visent de larges applications, dont les piles embarquées. Dans ces dernières applications, le combustible peut être soit stocké en l'état à bord du véhicule, soit produit en son sein (« reformage embarqué »). On utilise dans ce cas deux principaux « carburants » : hydrocarbures ou méthanol, ce dernier étant généralement produit à partir de gaz naturel mais également de biomasse (déchets de bois ou ménagers) ou de charbon [1]. Un reformeur portatif (à peine 60 centimètres de haut) capable de convertir de l'alcool de maïs (éthanol - beaucoup plus écologique et moins cher) en hydrogène a été mis au point par des chercheurs de l'Université du Minnesota. L'innovation consiste en l'utilisation d'un revêtement spécial (rhodium et oxyde de cérium) qui catalyse les réactions de transformation de l'éthanol, l'eau et l'oxygène en hydrogène et dioxyde de carbone. Le grand avantage de ce reformeur est sa rapidité : le carburant ne reste en effet que quelques millisecondes en contact avec le catalyseur, ce qui autorise la traitement d'une grande quantité d'éthanol (95% de l'éthanol est transformé en hydrogène gazeux) [2]. La société IdaTech met au point un prototype de pile fonctionnant aux hydrocarbures liquides à basse teneur en soufre comme le diesel, le kérosène, le biodiésel, les combustibles GTL (gas-to-liquids - transformation des gaz en liquides). Le reformeur s'intègre dans une pile à combustible compacte. Le double intérêt de ce système est de permettre l'utilisation d'une large gamme de carburants, d'une part, et d'obtenir un hydrogène très pur (plus de 99,95 %), d'autre part. De plus, les dimensions de ce reformeur sont raisonnables (environ 86 / 86 / 64 cm), ce qui autorise son utilisation dans les systèmes embarqués [3]. STOCKAGE DE L'HYDROGENE Dernièrement, des avancées concernant des « réservoirs » en charbons actifs ont été rapportées. Cet adsorbant possède en effet la capacité d'emmagasiner l'hydrogène, en utilisant un phénomène physico-chimique qui se traduit par une attraction de surface de type « gaz/solide ». Les charbons actifs ont été comparés à d'autres matériaux carbonés (nanotubes, noirs de carbone, aérogels) et ont prouvé leur supériorité [4]. Le projet OPTIMAP a pour but la mise au point d'un matériau carboné ayant des performances intéressantes pour le stockage d'hydrogène et compatibles avec les spécifications d'une application embarquée pour le transport automobile (température ambiante et pression de quelques dizaines d'atmosphères au maximum). Ce projet se concentre sur des carbones microporeux (taille des pores < 1 nm) obtenus de diverses façons (graphite broyé, pyrolyse de molécules organiques) et ayant subi ou non une activation. Le projet focalise également les « nanotubes », dont les premiers résultats de tests opérationnels sont prometteurs malgré des difficultés de répétabilité [5, 6]. Des scientifiques de l'Université de Chicago et de la Carnegie Institution de Washington proposent un matériaux nouveau pour le « stockage de l'hydrogène ». Il s'agit d'un hydrate d'hydrogène, mélange solide jouant le rôle de « piège » à hydrogène et fonctionnant sous -195°C, et par pression normale, ce qui permet d'envisager un stockage dans de l'azote liquide. L'hydrogène captif peut par la suite être libéré en ramenant la température à -130°C. Cette simplification du stockage laisse entrevoir une avancée importante dans le domaine des transports [7]. En utilisant un prototype d'un compresseur électronique « polyétage », des chercheurs de l'Institut d'Innovation en Piles à Combustible du CNRC (Vancouver, Canada) ont réussi à comprimer de l'hydrogène à 5 000 lb/po2 (352.62 kg/cm2) en recourant à l'électrochimie. L'objectif des 10 000 lb/po2, pression à atteindre pour que les véhicules équipés d'une pile à combustible aient la même autonomie que ceux dotés d'un moteur à combustion interne, est donc à moitié atteint [8]. A suivre Enfin, des pistes concernant le nitrite de lithium sont explorées ; en effet, ce composé aurait la particularité de pouvoir à la fois piéger l'hydrogène (capacité de stockage prétendument supérieure à celles existantes) mais surtout de le restituer simplement, à la demande, comme une pile. Ces données, émanant d'une chercheuse de Singapour sont très récentes et sont à valider mais les premiers résultats paraissent prometteurs [9]. CATALYSEUR DE LA PILE Le catalyseur platine de la pile à combustible est un frein majeur à son développement : coût fort, production faible. Dans ce document, émanant du Osaka Municipal Technical Research Institute, on annonce une nouvelle technologie permettant de substituer le catalyseur platine, grâce aux protéines contenues dans le sang des animaux. C'est le fer de ces protéines (hémoglobine, catalase notamment) qui fournit les fonctions catalytiques. Ce nouveau catalyseur est exempt de platine donc il est peu coûteux mais ses performances sont aussi inférieures. Le sujet est intéressant et la recherche d'alternatives au platine est fondamentale mais deux points restent à éclaircir : quels sont les volumes et modes de production envisageables pour ce nouveau catalyseur ?, d'une part, et existe-il un potentiel d'évolution fort, pour atteindre les caractéristiques du catalyseur platine ?, d'autre part [10]. STRUCTURE DE LA PILE A COMBUSTIBLE La société Ticona vient de commercialiser une pile à combustible dont l'électrolyte est uniquement fabriqué à partir de thermoplastiques. Rappelons que les piles classiques font intervenir de l'aluminium, des revêtement en or, et des graphites. En ce sens, cette innovation permet de réduire significativement le coût, de près de la moitié [11]. Areva annonce la mise sur le marché de la première pile à combustible de 20kW française (via sa filiale Helion). Rappelons que la dernière pile de la société ne fournissait « que » 5kW. Cette pile possède par ailleurs les évolutions suivantes : nouveau système de réfrigération, fort rapport puissance/volume et puissance/poids (en hausse de 50%). Niveau de prix en baisse de 25% [12]. Signalons enfin une innovation en marge de la structure même de la pile mais qui peut contribuer à son optimisation. Il s'agit en fait d'un système d'imagerie permettant de visualiser la circulation de l'eau en son sein et par là même d'améliorer le fonctionnement de la pile. Les chercheurs ont ainsi montré que l'efficacité de la pile augmente ou diminue en fonction de la quantité d'eau présente. Preuve de l'intérêt du système, l'équipe a déjà été contactée par Ballard Power Systems, leader du domaine des piles a combustible [13]. PROTOTYPES ET COMMERCIALISATIONS DE VEHICULES Nous présentons ici les dernières commercialisations (ou prototypes avancés), dans les domaines automobile, transport en commun ou autre application de transport (présentation par ordre anti-chronologique des annonces des constructeurs) [14, 15]. AUTOMOBILES « Hyundai à PAC en test aux USA ». Suivant les traces de Toyota, Hyundai lance un programme de tests routiers de 5 ans pour son nouveau modèle Tucson. Ce modèle à PAC a été dévoilé en mars 2004 au salon de Genève, en même temps que la version essence du même modèle. « Mercedes, Honda, Toyota et Fiat ». Après une année de tests et de perfectionnements, la Fiat Panda à hydrogène est prête Fiat compte en produire quelques unités pour un bon client, probablement une administration turinoise. « La Focus à PAC est en production ». Ford place en test ses voitures à PAC, aux USA et au Canada. 30 voitures sont mobilisées. Toutes sont motorisées par des PAC réalisées par Ballard, le spécialiste canadien dont Ford est actionnaire et, la plupart du temps, avec le concours de BP, pour la mise en place de stations d'hydrogène dans les villes où seront placées les voitures. « Ça avance chez Daimler ». DaimlerChrysler lance son programme « F-Cell » qui prévoit la livraison de 60 voitures à pile à combustible, en Allemagne, aux USA, à Singapour et, pour commencer, au Japon. Les premiers clients sont les sociétés Tokyo Gas et Bridgestone. TRANSPORT EN COMMUN (BUS) « En Australie aussi : 3 bus à PAC ». 30 bus Mercedes Citaro ont déjà été livrés dans le Monde : de l'Espagne (Madrid, ville pionnière) à l'Australie (tout récemment). « Les bus à PAC conquièrent le Monde ». Après Amsterdam, c'est Londres qui a reçu cette semaine ses 3 autobus à PAC. Des progrès fantastiques ont été réalisés en terme de distribution d'hydrogène. La station de cette ville, gérée par Shell, débite 40 kg d'hydrogène en 10 minutes. Sous 6 mois, c'est 30 bus à PAC de plus qui seront en service en Europe, auxquels il faut ajouter 3 bus à Santa Clara en Californie, et encore 3 autres à Perth en Australie, tandis que les bus Toyota devraient bientôt passer du test à la ligne régulière au Japon. « Bus au H2, 4 500 nouveaux clients ». Le programme CUTE (Clean Urban Transport for Europe) se poursuit à Stuttgart. Les bus Mercedes transporteront 4 500 personnes et seront alimentés par ENBW. AUTRES MOYENS DE TRANSPORT « Scooter à PAC, c'est bien mieux ». Avec une vitesse de pointe de 100 km/h, une accélération de 0 à 100 km/h en 6,8 secondes et 240 km d'autonomie, le nouveau scooter de la société Vectrix, qui utilise une pile à combustible de Protonex, peut révolutionner le marché du scooter. Il devrait être commercialisé 2006 ou 2007. « Bientôt un Yamaha à PAC ». Yamaha a réalisé un prototype et fait des tests avec un scooter électrique alimenté par une pile à combustible. La pile à combustible a été développée en partenariat avec un autre fabricant japonais de motos ; elle fonctionne au méthanol. Ce carburant a été préféré à l'hydrogène, car son stockage est plus simple et plus économique que l'hydrogène, les ingénieurs garantissant une autonomie de 200 km. Seul le coût pose problème, ce scooter étant actuellement beaucoup plus cher qu'un équivalent à essence. Signalons ici qu'il n'existe pas d'exemple remarquable, dans la dernière année, de piles à combustible embarquées sur des engins agricoles ou de chantier. Ainsi, John Deere, un des principaux constructeurs de tracteurs possède un tracteur à PAC « de démonstration », mais déclare ne pas continuer les développements dans ce sens (http://www.deere.com/). INITIATIVES LOCALES ET DES ETATS, INCITATIONS FINANCIERES Les principales initiatives locales, régionales ou nationales en faveur de la PAC ainsi que les incitations financières sont présentées ci-après (liste non exhaustive). Dans un contexte prioritaire de recherche et développement, ces données sont bien sûr très importantes. Les informations sont signalées par ordre anti-chronologique. Le Ministre canadien des Ressources humaines et du Développement des compétences, a annoncé le financement de six projets qui mettront le Canada sur la voie d'un avenir basé sur l'énergie fournie par l'hydrogène. Ces projets s'appuient sur des partenariats gouvernement / industrie ; le montant total s'élève à 2,2 millions de dollars. Les principaux axes sont les suivants : soutient au « Village de l'hydrogène », dans la région de Toronto, où seront déployées et démontrées des technologies de piles à combustible ; intégration de matériel et de systèmes dans une station de ravitaillement en hydrogène à Vancouver ; mise au point d'une tour de stockage d'hydrogène à la station susmentionnée ; mise en fonctionnement de navettes alimentées à l'hydrogène à Toronto et à Ottawa (Ontario) ainsi qu'à Charlottetown (Ile-du-Prince-Edouard) [16]. La promotion de technologies environnementales et énergétiques innovatrices est une des six priorités de recherche dans le Land de Rhénanie du Nord Westphalie (Allemagne). Cette région finance ainsi une cinquantaine de projets sur les piles à combustibles, pour un montant total de 50 millions d'euros. Plus de 300 entreprises travaillent au sein du réseau de compétences « Piles à combustible » de NRW afin de trouver des solutions aux problèmes énergétiques actuels et futurs [17]. En Italie, l'ENEL (Institut National de l'Energie Electrique) et le CNR (Institut National de Recherche) réalisent une installation expérimentale, qui devrait voir le jour d'ici 3 ans, pour produire de l'hydrogène au sein des grandes centrales électriques à charbon installées sur le territoire. Un site spécifique de gazéification du charbon par de l'oxygène est construit à proximité des centrales. Les gaz résultants (oxyde de carbone et hydrogène) seront alors purifiés et envoyés vers un réacteur qui, grâce à de la vapeur, augmentera la production d'hydrogène et transformera l'oxyde de carbone en anhydride carbonique. L'hydrogène résultant sera utilisé pour alimenter des bus urbains. Selon ses concepteurs, ce type de centrale à charbon à émission zéro pourrait être répandu d'ici une vingtaine d'années [18]. Le Ministre des Ressources naturelles du Canada a annoncé un investissement de 215 millions de dollars dans le secteur de l'utilisation de l'hydrogène et des piles à combustible, pour favoriser l'assainissement de l'atmosphère et la viabilité de l'économie au Canada. Cet investissement a pour objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d'établir une économie plus efficace et plus durable. Par ces initiatives, le Canada consolidera son leadership à l'échelle mondiale dans cette industrie novatrice et continuera d'attirer des investissements et des compétences spécialisées [19]. Références INNOVATIONS ET AMELIORATIONS TECHNIQUES [1] « Développement d'un reformeur d'éthanol à membrane interne - Application à un système de cogénération fixe ou embarquée à pile à combustible (BIOSTAR) », CETH / ADEME, projet de recherche PF-02-85, mai 2003 mai 2006. [2] « Small prototype reactor may make hydrogen a cheap fuel », 13 février 2004, http://www.usatoday.com. [3] « La mise au point par IdaTech d'un prototype de pile aux hydrocarbures liquides marque un nouveau tournant », Clean@uto, mai 2004. [4] « Charbons Actifs pour le Stockage de l'Hydrogène (CASH) », PICA / CEA, mai 2002 novembre 2003. [5] « Automobile 2004 », édition spéciale « Science & Vie », octobre 2004. [6] « OPTImisation des MAtériaux micro-Poreux carbonés pour le stockage de l'hydrogène (OPTIMAP) », CRMD/CNRS-Université d'Orléans, CRMC-N/CNRS, PSA, ATOFINA, en cours. [7] « Hydrogen's hurdles », New York Times du 6 janvier 2004, http://www.nytimes.com. [8] « Percée technologique en compression d'hydrogène », Lettre CNRC (Vancouver, Canada) « Faits Saillants » - subscribe.be.canada@adit.fr , septembre 2003. [9] « Vers un nouveau moyen de stocker l'hydrogène », Clean@uto, source ADIT, septembre 2004. [10] « De l'hémoglobine pour les piles à combustibles », Clean@uto / The Latest Fuel Cell News In Japan, août 2004. [11] « Ticona Introduces First Engineering Thermoplastic Fuel Cell », www.fuelcelltoday.com, 7 Decembre 2004. [12] « AREVA develops the first French 20 kW fuel cell stack », www.fuelcelltoday.com, 10 Decembre 2004. [13] « Améliorer la structure des piles a combustible », Clean@uto, source ADIT, novembre 2004. PROTOTYPES ET COMMERCIALISATIONS DE VEHICULES [14] Site « Moteur Nature », rubrique news : http://www.moteurnature.com/actu/news.php, décembre 2004. [15] Site « Trans'bus », http://www.transbus.org, rubrique actualité, décembre 2004. INITIATIVES LOCALES ET DES ETATS, INCITATIONS FINANCIERES [16] « Le gouvernement du Canada appuie six projets sur l'utilisation de l'hydrogène comme combustible », Clean@uto, septembre 2004. [17] « Piles a combustibles : une priorité de recherche innovatrice en Rhénanie du Nord Westphalie », dépêche IDW, communiqué de presse du Ministère de la Recherche et de la Science de NRW, source ADIT, juin 2004. [18] « Un projet de production d'hydrogène par le charbon, sans polluer l'environnement ni l'atmosphère, conduit par l'ENEL », Clean@uto, source ADIT, janvier 2004. [19] « Investissement pour accroître le leadership du Canada dans le domaine émergent de l'utilisation de l'hydrogène », Industrie Canada, source ADIT, octobre 2003.