Pour lutter contre le changement climatique et sécuriser son approvisionnement énergétique, le Royaume-Uni a décidé de miser sur les piles à combustible. Si les verrous technologiques encore à lever sont nombreux, les recherches menées en la matière outre-Manche sont très variées.
Cet article a été préparé par Nathalie Mayer, à partir du rapport "Les piles à combustible au Royaume-Uni" réalisé par Alexandre Jousse, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France au Royaume-Uni, que nous remercions pour sa collaboration.
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Pour lutter contre le réchauffement climatique et pour sécuriser son approvisionnement en énergie, le Royaume-Uni met progressivement en place plusieurs solutions parmi lesquelles le recours à l'énergie nucléaire, la séquestration géologique du dioxyde de carbone ou encore l'utilisation d'énergies renouvelables. Les piles à combustible pourraient également aider le pays à atteindre les objectifs drastiques qu'il s'est fixé. Principaux atouts de cette technologie : des rendements élevés et une absence d'émissions directes de dioxyde de carbone. De plus, les applications envisageables sont nombreuses. Le remplacement des petites batteries portatives et des moteurs à explosion classiques dans les transports devrait notamment être possible. Mais, d'importants verrous technologiques sont encore à lever.
Le Royaume-Uni, engagé dans la lutte contre le réchauffement climatique, prévoit de réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 26% d'ici 2020 et même de 60% d'ici 2050 (par rapport à 1990). Des objectifs qui demandent la mise en place de moyens conséquents. Et dans ce combat, l'hydrogène, en tant que vecteur énergétique, pourrait utilement apporter sa contribution. Les piles à combustible, ces convertisseurs d'énergie qui produisent de l'électricité et de la chaleur à partir d'hydrogène, constitueraient alors le coeur de la filière.
Un marché en plein boom
Aujourd'hui, le marché mondial des piles à combustible reste encore marginal. En 2007, seules 12.000 unités ont été vendues ; 12.000 unités qui représentent tout de même une augmentation de 75% par rapport à l'année précédente ! Selon les prévisions, ces chiffres devraient continuer d'aller croissant même si le déploiement massif de la technologie ne devrait pas intervenir avant les années 2020.
Au Royaume-Uni, c'est une centaine d'entreprises qui sont aujourd'hui impliquées dans le domaine de la pile à combustible. Le pays dispose ainsi de compétences dans tous les secteurs d'activité de la filière, des matériaux, à l'intégration des systèmes en passant par le stockage de l'hydrogène. Une vingtaine d'entreprises britanniques y travaillent même depuis plus de quinze ans et certaines sont devenues des leaders mondiaux comme Johnson, Matthey Fuel Cells, Intelligent Energy ou Rolls-Royce. Mais la grande majorité des entreprises du secteur sont de petites entreprises qui développent des produits innovants afin de se placer sur ce marché émergent. Ceres Power, par exemple, propose une pile d'un kilowatt à oxyde solide opérant à basse température. Là où les piles à oxyde solide fonctionnent classiquement à quelque 1.000 °C, celle-ci opère à environ 500 °C. Une réduction de température qui représente un enjeu majeur pour l'avenir.
Mais, sans la recherche, difficile d'amener la technologie des piles à combustible à maturité. Alors au Royaume-Uni, 35 groupes travaillent sur des thèmes liés à ce domaine. Il s'agit là de recherches multidisciplinaires alliant sciences fondamentales et sciences de l'ingénieur. L'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) est le principal organe de financement des projets de recherche publique dans le secteur des piles à combustibles mais d'autres acteurs entrent également dans la stratégie britannique. Le Department for Business, Enterprise and Regulatory Reform (DBERR), ou en d'autres mots, le ministère de l'Industrie, finance, depuis 1992, des programmes de recherche sur les piles à combustible dans le cadre de sa branche consacrée à l'innovation dans le domaine de l'énergie. Pas moins de 92 millions de livres (soit environ 120 millions d'euros) ont ainsi été dépensées lors de la dernière décennie. Et 15 millions de livres supplémentaires (soit environ 19 millions d'euros) seront encore allouées à des projets de démonstration dans les quatre années à venir.
Les autorités régionales de leur côté, développent leurs propres programmes de démonstration pour les piles à combustible. Dans ce cadre, un Energy Technologies Institute (ETI) vient d'être lancé en partenariat avec les universités de Birmingham, Loughborough et Nottingham dans la région des Midlands. Un projet financé sur dix ans à hauteur de 600 millions de livres (soit environ 760 millions d'euros) par le DBERR, l'East Midlands Development Agency (EMDA) et l'Advantage West Midlands (AWM). En comptant l'apport du secteur privé, le financement total de ce projet pourrait s'élever à près d'un milliard de livres (soit environ 1,3 milliard d'euros). Parallèlement, il existe aussi au Royaume-Uni, un grand nombre d'acteurs indépendants dont l'objectif est de développer l'utilisation de piles à combustible. Fuel Cells UK par exemple, s'attache à promouvoir l'industrie britannique des piles à combustibles à l'étranger.
Le Royaume-Uni est également engagé dans plusieurs initiatives financées par l'Union européenne. HyCom notamment vise à réaliser des centres de démonstration pour l'utilisation de l'hydrogène dans les véhicules et dans les systèmes stationnaires (production combinée de chaleur et d'électricité). Le projet HypoGen quant à lui ambitionne de développer une unité de production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles avec capture et séquestration du carbone.
Une grande variété de technologies
Il existe aujourd'hui, dans la théorie, de nombreux types de piles à combustible. Mais le passage à la pratique n'est pas des plus aisés et constitue un premier grand axe de recherche en la matière.
La pile à membrane échangeuse de protons PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) est la plus étudiée du moment. Ses applications se situent essentiellement dans les transports et les applications portables qui ne demandent pas plus de quelques kilowatts de puissance. La membrane polymère utilisée comme électrolyte ne supporte pas les conditions extrêmes et ce type de pile ne fonctionne donc que dans des gammes de température restreintes (entre 70 et 100 °C). La membrane polymère est également très sensible à la contamination par de l'eau ou par du monoxyde de carbone. Les piles à membrane échangeuse de protons présentent toutefois l'avantage d'être compactes, relativement faciles à fabriquer et rapides au démarrage. Elles restent cependant coûteuses du fait de l'utilisation d'électrodes en platine.
La pile à combustible à méthanol direct DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) est une sous-catégorie des PEMFC dans laquelle le combustible est du méthanol. Ceci en fait une pile idéale pour les petits appareils électriques portables car le méthanol liquide est facilement stockable.
La pile à oxyde liquide SOFC (Solide Oxyde Fuel Cell) est l'autre grande famille des piles à combustible. Dans son cas, ce sont les ions oxygène qui diffusent à travers un oxyde solide à très haute température (de 800 à 1.000 °C) pris comme électrolyte. Ici, la réaction chimique se fait du côté de l'anode. Ce type de piles couvre un domaine de puissances potentiellement élevées, de 1 kW à 100 MW. Et, si les temps nécessaires à la mise en marche sont de quelques heures, les hautes températures de fonctionnement présentent des avantages certains. Ainsi, la possibilité de réaliser de la cogénération électricité et chaleur avec un rendement global en énergie atteignant les 80%, des réactions chimiques qui ont lieu sans qu'il n'y ait besoin de catalyseurs onéreux éliminant du même coup le risque de contamination au monoxyde de carbone et des combustibles se reformant en interne. Ce type de pile peut donc fonctionner aussi bien avec de l'hydrogène qu'avec du méthane, du propane, du butane ou de la biomasse gazéifiée. Mais ces très hautes températures impliquent aussi l'utilisation de matériaux non standard et généralement coûteux.
Il existe encore bien d'autres types de piles à combustible mais au Royaume-Uni, l'activité de recherche industrielle est principalement axée sur les technologies PEMFC et SOFC. (Voir "Piles à combustible : principe de fonctionnement" en fin d'article).Des recherches essentiellement financées par le programme SuperGen. L'un des consortiums touchant directement le domaine des piles à combustible, le Fuel Cells Consortium, pourrait permettre au pays d'abattre des verrous technologiques auxquels l'industrie des piles à combustible fait face aujourd'hui. Ces recherches pourraient très prochainement déboucher sur des applications industrielles. Le Fuel Cells Consortium regroupe plus de 100 chercheurs et doctorants. Il est dirigé par l'Imperial College London au sein du laboratoire consacré aux énergies de l'avenir (Energy Futures Lab) et en partenariat avec l'Electrochemical and Materials Processing Centre (le centre dédié à l'électrochimie et au traitement des matériaux) de l'université de Newcastle et des groupes de recherche des universités de Nottingham et de Saint Andrews (Ecosse). Les partenaires industriels sont Ceres Power, Johnson Matthey, Rolls-Royce et le Defence Science and Technology Laboratory. Depuis 2005, l'EPSRC a versé à ce programme près de 2,2 millions de livres (soit environ 2,8 millions d'euros). Les principaux enjeux du Fuel Cells Consortium sont l'augmentation de la durabilité (détériorations dues aux gradients thermiques, modification des propriétés chimiques des matériaux au fil du temps, etc.) et des performances (études sur les électrolytes, augmentation des températures de fonctionnement des PEMFC, etc.) des piles à combustible. Le consortium travaille aussi à la diminution des coûts de production (diminution des températures de fonctionnement des SOFC, etc.).
Récemment, le Royaume-Uni s'est également lancé dans la recherche sur les piles à combustible dites biologiques, des piles qui utilisent des micro-organismes pour produire des combustibles à partir de matière organique. Le BioFuelCells Consortium est un programme mené par l'université d'Oxford en partenariat avec Queen Mary, University of London et les universités du Surrey, de Glamorgan (Pays de Galles), de Glasgow et d'East Anglia. L'EPSRC finance ce consortium à hauteur de 2 millions de livres (soit environ 2,5 millions d'euros) entre 2006 et 2010. Objectifs : comprendre et modéliser l'interaction entre une pile électrochimique et une population de micro-organismes et étudier les enzymes capables de catalyser la réaction d'oxydoréduction dans une pile. Ces recherches encore très fondamentales visent des applications lointaines.
Une filière à structurer
Parallèlement aux travaux menés sur les piles à combustibles, le Royaume Uni se penche aussi sur les questions touchant la filière hydrogène (stockage, production et stratégie de déploiement). Une filière qui pourrait devenir le vecteur énergétique principal d'une économie faiblement émettrice de CO2 et qui représente donc un enjeu majeur. Le développement des piles à combustibles n'ira pas sans celui de la filière hydrogène. La production et le stockage du gaz sont les principaux problèmes qui se posent aux chercheurs.
Il existe plusieurs voies de production de l'hydrogène. Chacune présente un bilan environnemental différent, notamment concernant l'émission de gaz à effet de serre. Et, au travers du UK Sustainable Hydrogen Energy Consortium (UK-SHEC), le Royaume-Uni a décidé d'étudier plus particulièrement la production d'hydrogène à partir de ressources renouvelables (biomasse, solaire, éolien). Plusieurs programmes de démonstration ont ainsi été lancés récemment. La construction d'un centre pour l'étude de la production d'hydrogène a par exemple débuté au Pays de Galles en janvier 2008. Un centre financé à hauteur de 1,7 million de livres (soit environ 2,2 millions d'euros) par l'université de Glamorgan et le Neath Port Talbot Council.
Concernant le stockage de l'hydrogène, plusieurs techniques sont envisagées. L'une d'entre elles, le stockage sous forme comprimée, est déjà au point. Mais, le poids et le volume des structures développées freinent les possibilités d'application. Dans le stockage sous forme liquide, le gain en volume est important mais en l'état actuel des recherches, les pertes énergétiques sont encore élevées. Enfin, le stockage dans des hydrures solides qui consiste à faire absorber l'hydrogène sous forme d'ions H- dans des composés spécifiques à base de magnésium présente de nombreux avantages et notamment celui d'un faible volume de stockage. Quatre kilogrammes d'hydrogène, valeur à partir de laquelle une automobile peut être considérée comme autonome, sont stockés dans un volume de 26 litres alors qu'avec la méthode de l'hydrogène comprimé, on arrive à un volume de 110 litres. Le Royaume-Uni a donc choisi de s'investir dans la recherche sur le stockage solide de l'hydrogène qui semble le plus porteur d'avenir.
Le point sur :
Piles à combustible : principe de fonctionnement
Une pile à combustible utilise l'énergie chimique de l'hydrogène (ou d'un combustible riche en cet élément) pour produire de l'électricité. Son fonctionnement est similaire à celui d'une pile conventionnelle avec un oxydant, l'oxygène, et avec un réducteur, l'hydrogène, séparés par un électrolyte qui bloque les électrons mais laisse circuler les ions. Mais, contrairement aux piles traditionnelles, le combustible hydrogène est stocké à l'extérieur de la pile et peut être alimenté au fur et à mesure.
A l'anode de cette pile à combustible de type PEMFC, chaque molécule de dihydrogène (combustible) est transformée en deux ions H+ et en deux électrons. Les ions passent ensuite à la cathode au travers de l'électrolyte. Les électrons se propagent quant à eux dans le circuit électrique qui relie les deux électrodes. L'ensemble réagit ensuite avec le dioxygène pour produire de l'eau.
Pour en savoir plus :
A lire également : THIERRY X. Energy White Paper 2007 : la stratégie britannique pour relever le défi de l'énergie. Royaume-Uni : ambassade de France au Royaume-Uni, 30 juin 2007. 18 pages.
