Illusion ou réalité : les piles à combustible

Par Roger CADIERGUES le 04 Juillet 2019

J'ai eu le " malheur ", dans une lettre de Septembre dernier, de parler un peu rapidement des piles à combustible. Cela m'a valu quelques demandes, auxquelles je vais tenter de répondre, la question de base étant la suivante : "Quels sont les avantages, et quel est l'avenir des piles à combustible ?". Sans compter la demande toute simple : de quoi s'agit-il?

Peut-on, effectivement, expliquer simplement ce qu'est une pile à combustible ?

Si on se limite aux principes de base, plus ou moins oui. Sur le plan des principes disons que l'on y transforme directement de l'énergie chimique en chaleur et en électricité : c'est donc un système de cogénération. La cellule de base la plus simple consomme de l'hydrogène qui, au passage à travers une couche électrolytique provoque deux phénomènes électrochimiques :
- la formation d'électrons induisant la production de courant électrique (première action),
- et la formation de protons (H+) qui, en fin de traversée de la couche, fournissent à partir de l'oxygène (de l'air) de l'eau et de l'hydrogène réalisant (deuxième action) l'équivalent d'une combustion de l'hydrogène fourni à l'amont. Tout ceci avec (en principe) de très bons rendements. Et surtout l'absence de dégagement de CO2.

Est-ce toujours aussi simple ?

Si l'on examine la chaîne complète accompagnant les piles ce n'est plus tout à fait aussi simple. D'où, finalement, cinq "races" de piles à combustible, chacune étant désignée par un sigle d'origine anglophone.

Quelles sont ces "races" ?

Pour nous limiter aux quatre plus importantes : les PEMFC (Proton exchange membrane), les PAFC (Phosphoric acid), les MCFC (MoltenCarbonate), les SOFC (Solide oxide), ces quatre sigles vous étant indiqués pour éviter les confusions inutiles. En effet chaque race possède ses propres vertus, indépendamment des caractéristiques physiques et de fonctionnement. Sur le plan pratique voici leurs efficacités.

Quelles sont donc leurs différences ?

Pour chaque race il faut faire intervenir quelques paramètres physiques (le type d'électrolyte par exemple), mais leurs encombrements (0,056 à 0,37 m² par kilowatt électrique) et leurs rendements sont tous du même ordre de grandeur (40 à 50 % en électricité, 35 à 45 % en chauffage, avec des résultats peu affectés par le régime). Le seul véritable obstacle est le coût, même à une échéance telle que 2020 où il semble qu'on puisse prévoir les coûts suivants par kilowatt : de l'ordre de 200 euros pour les PEMFC (dits aussi PEFC), de l'ordre de 350 à 400 euros pour les MCFC et les SOFC, plus de 700 euros pour les PAFC. Il est vrai que les coûts de fonctionnement (par kilowattheure produit) ne vont pas forcément dans le même sens, les coûts de maintenance (10 % des coûts de fonctionnement) et les durées de vie probables (20 ans sans doute) étant tous (à priori) à peu près du même ordre de grandeur.

Peut-on en tirer des conséquences quant à leur avenir ?

Le seul moyen de faire des prévisions est de tenir d'abord compte des investissements, et de les comparer à ceux de solutions classiques de cogénération, par kilowatt : de 150 à 500 euros pour les systèmes à combustion interne, de 300 à 400 euros pour les turbines à gaz, de 300 à 550 euros pour les micro-turbines, de 350 à 400 euros pour les turbines à vapeur. On constate finalement qu'en 2020 les piles à combustible auront peut-être des coûts comparables à ceux des autres systèmes de cogénération. Mais le plus intéressant reste le bilan énergétique et environnemental.

Qu'entendez-vous par là ?

L'intérêt des piles à combustible peut être crucial si l'on utilise de l'hydrogène à partir des énergies renouvelables, je pense en particulier à la source solaire inépuisable si l'on abandonne le solaire thermique et le solaire photovoltaïque pour le chimique. C'est, à mon sens, la voie qui devrait être largement privilégiée dans la lutte inévitable contre l'accroissement de l'effet de serre. Car elle débouche directement sur le zéro-carbone, sans avoir à se livrer aux acrobaties des bâtiments hyper-isolés. Avec une bonne pompe à chaleur la pile à combustible atteint des efficacités presque "magiques".

Roger CADIERGUES