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OpenEdition Books

Le développement durable à découvert

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Agathe Euzen
, 
Laurence Eymard
, 
Françoise Gaill

Sixième partie – Nouvelles approches dans la recherche

14. Les piles à combustible et les batteries : des technologies « vertes » pour l’énergie ?

Michel Cassir

Full text

1Les technologies « vertes » n’existent pas à proprement parler, car tout système énergétique implique des contaminations, même les technologies réputées non polluantes, comme l’extraction du combustible nucléaire, la fabrication de panneaux solaires, de batteries, d’éoliennes (cf. IV.18)… Cette notion est cependant essentielle pour concevoir des procédés avec une vision globale du respect de l’environnement. Les technologies dites « vertes » sont très variées puisqu’elles englobent à la fois des sources d’énergie renouvelables (hydroélectricité, géothermie, biomasse, soleil, vent, océans…) et des dispositifs innovants de grande efficacité énergétique*. Nous nous limiterons au stockage électrochimique et aux procédés permettant de transformer l’énergie chimique en énergie électrique : batteries au lithium* (BLi, figure 1) et piles à combustible (PAC), appelées aussi « piles à hydrogène ».

Gaz à effet de serre*

2L’intervention croissante des sociétés humaines sur les écosystèmes depuis 1850 s’est traduite par une production de dioxyde de carbone (CO2) de l’ordre de 200 Gt (Gigatonnes ou 109 tonnes). Nous vivons à l’ère de l’Anthropocène*, où l’influence humaine est prédominante sur le système terrestre naturel. La concentration actuelle de CO2 est de 400 ppm (parties par millions), alors qu’elle n’était que de 285 ppm à l’ère préindustrielle. Sa croissance augmente régulièrement, atteignant plus de 2 ppm/an actuellement. Pour éviter l’effet nocif de ce gaz à effet de serre provoquant le réchauffement de la planète, il faudrait en abaisser la concentration à 350 ppm et réduire de 85 % son émission d’ici 2050. Par ailleurs, l’augmentation de la population et l’émergence de grands acteurs de la consommation d’énergie (Chine, Inde, Brésil) font du contrôle des gaz à effet de serre un défi majeur, exigeant des efforts considérables. Le Plan d’Action européen en matière de sécurité et solidarité énergétiques projette de « décarboner » sa production d’électricité à plus de 80 % d’ici 2050. Cette politique sous-tend une baisse des émissions de CO2 et la nécessité de capter et de stocker ce gaz, voire de le retransformer en combustible.

Fig. 1 – Batterie lithium ion. À l’électrode positive : oxyde de cobalt où se déroulent la réduction et l’insertion de Li+. À l’électrode négative : graphite où ont lieu l’oxydation et la désinsertion de Li+. L’électrolyte, ou séparateur, est composé de sel de lithium (LiPF6) dissous dans des solvants organiques (EC carbonate d’éthylène, DMC carbonate de diméthyle)

Mobilité électrique

3Le monde du véhicule électrique est en pleine mutation d’un point de vue industriel et sociétal (cf. III.7). En France, le véhicule tout électrique fonctionnant avec des batteries Li-ion* (Renault) ou Li-polymère* est devenu une réalité commerciale. Cependant, des progrès significatifs sont encore attendus. En cela, une électrode positive à plus haut potentiel (> 4,7 V) doit se développer dans un proche avenir, mais cette technologie permettant de fournir plus d’énergie spécifique (énergie/masse) nécessite un électrolyte adapté à ces conditions. Pour la négative, le carbone pourrait être substitué par des matériaux à hautes capacités, comme le silicium, dont la capacité est dix fois plus importante. La technologie Li-polymère présente un intérêt spécifique, exploité par exemple dans les voitures Autolib’en location à Paris ; elle est plus résistante à la surcharge, mais aussi plus chère et de densité énergétique plus faible. À l’avenir, devraient bientôt surgir sur le marché des batteries Li-Air* plus efficaces énergétiquement. Des progrès seront également effectués dans la récupération du lithium et dans l’utilisation de ressources naturelles pour fabriquer les électrolytes et les électrodes. Cependant, aucune technologie ne sera la panacée et la solution résidera plutôt dans la variété, en raison non seulement des performances et de la durée de charge, mais aussi des ressources en matières premières et des besoins en transport. La commercialisation des véhicules à PAC à membranes échangeuses de proton, dites « PEMFC* », plus chères mais plus flexibles en autonomie et en vitesse, pourrait être envisagée à l’horizon 2015-17, selon les constructeurs. Il est aujourd’hui nécessaire d’exploiter toutes ces voies, afin d’en réaliser l’état des lieux dans 10 ans, lorsque batteries et piles à combustible auront évolué et répondront à des usages spécifiques. Par sa souplesse d’utilisation (longueur des trajets, demandes de puissance), la solution hybride est souhaitable car elle peut combiner différentes options : batterie, PAC, moteur à combustion interne, supercapacités.

Fig. 2 – Usine de traitements des eaux usées à base d’un système de pile à combustible* à carbonates fondus de 2,8 MW (DFC 3000, Fuel Cell Energy aux États-Unis) pour la production d’énergie « propre ». © M. Cassir

Cogénération

4Il existe deux familles de piles à combustible haute température, à oxyde solide* (SOFC) ou à carbonates fondus (MCFC). Leurs températures élevées permettent de s’affranchir de catalyseurs* coûteux (le platine pour les PEMFC) et de fournir électricité et chaleur à hauts rendements. Les SOFC dites « tout solide », compactes et modulaires, apparaissent idéales, mais leur température trop élevée (> 750°C) nécessite l’emploi de matériaux onéreux. Des recherches actuelles sur des matériaux moins chers et plus efficaces tendent à en abaisser la température. En ce sens, l’apport des nanotechnologies, exaltant les réactions aux électrodes par des couches ultra-minces actives (< ; 1/10 000 mm), laisse promettre de rapides progrès (cf. V.12). Les MCFC, quant à elles, fonctionnent à 650°C, température appropriée pour utiliser des combustibles variés, comme la biomasse, transformés en hydrogène par reformage. La corrosivité des carbonates fondus étant mieux contrôlée, cette technologie tend à se développer. Des dispositifs allant de 300 kW à quelques MW sont en fonctionnement. Leur durée de vie est de 35 000 heures, le rendement électrique est de 55 % et le rendement global de 85 % en considérant la production de chaleur (cogénération). Des systèmes MCFC, conçus par la compagnie Fuel Cell Energy aux États-Unis, opèrent déjà dans des hôpitaux, industries et usines de traitement des eaux usées (figure 2). Les systèmes à carbonates fondus sont aussi envisagés pour capter le CO2, voire pour le transformer en combustible, comme le monoxyde de carbone ou le méthane.

5Pour conclure, il est indéniable que les technologies « vertes » couvrant le domaine des batteries et piles à combustible feront partie du bouquet énergétique de demain. Il reste cependant du chemin à parcourir pour optimiser ces systèmes et les rendre plus propres et plus compétitifs, mais ils sont d’ores et déjà sur le terrain de la commercialisation.

Bibliography

Références bibliographiques

• M. BOUDELLAL – La pile à combustible. Structure, fonctionnement, applications, Dunod, 2007.

• J.-M. TARASCON – Histoire et évolution des technologies d’accumulateurs, Cours au Collège de France, 2011.

• F. LAPICQUE et M. CASSIR – Procédés de conversion d’énergie : batteries, piles à combustible et procédés non électriques, L’Actualité chimique, 2010.

List of illustrations

Caption Fig. 1 – Batterie lithium ion. À l’électrode positive : oxyde de cobalt où se déroulent la réduction et l’insertion de Li+. À l’électrode négative : graphite où ont lieu l’oxydation et la désinsertion de Li+. L’électrolyte, ou séparateur, est composé de sel de lithium (LiPF6) dissous dans des solvants organiques (EC carbonate d’éthylène, DMC carbonate de diméthyle)
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Caption Fig. 2 – Usine de traitements des eaux usées à base d’un système de pile à combustible* à carbonates fondus de 2,8 MW (DFC 3000, Fuel Cell Energy aux États-Unis) pour la production d’énergie « propre ». © M. Cassir
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Author

Physicochimiste, Électrochimiste, Professeur des Universités, Chimie ParisTech, Directeur du LECIME, Membre du Comité National du CNRS (section 13), Paris.
michel-cassir@ens.chimie-paristech.fr

© CNRS Éditions, 2013

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