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Les énergies du 21ème siècle

Développer batteries et piles à combustibles


Une même réaction chimique permet de produire ou de stocker de l’électricité. Mais les batteries ou les piles universelles n’existent pas ; à chaque application sa solution !

Publié le 1 août 2012

À chaque batterie son application

Il est indispensable de stocker l’énergie électrique pour les applications nomades ou de transport. Par ailleurs, la bonne gestion des réseaux électriques du futur implique également de stocker l’électricité. Un des modes les plus souples est le stockage électrochimique dans les batteries. La batterie universelle n’existe pas, mais doit s’adapter aux exigences de chaque application, aux contraintes matérielles, techniques et de sécurité.

Pour les téléphones et ordinateurs portables, c’est la quantité d’énergie stockée par unité de volume et de masse qui importe. On utilise du lithium, du cobalt et du graphite. Mais le cobalt est coûteux et ce type de batterie peut donner lieu à une surchauffe, ce qui en interdit l’usage pour l’automobile. Pour cette application, les chercheurs s’orientent vers d’autres matériaux tels que les oxydes de manganèse et autres oxydes spinelles qui rendent les batteries plus performantes et plus sûres.

Un véhicule hybride présente des contraintes quelque peu différentes : la batterie est très sollicitée pour suivre le rythme d’une conduite en ville. Elle doit fournir rapidement le courant demandé et se recharger pendant le freinage. Dans ce cas, les électrodes sont à base de fer et de phosphates, comme le LiFePO4 (lithium fer phosphate), convenant à ce type d’applications dites de puissance. Depuis 2001, le CEA a déposé 4 brevets sur la synthèse du LiFePO4 dopé au bore, et a transféré en 2008 ce savoir-faire à la société belge Prayon.

Microbatteries lithium
Microbatteries lithium, élaborées sur wafer silicium, ici en cours de caractérisation électrochimique.
© A.Gonin/CEA

Le CEA est partie prenante de la moitié des projets « véhicules routiers à faibles émissions de gaz à effet de serre » de l’Ademe. Par exemple :

  • EILISup avec Irisbus et EDF : bus hybride et autocar tout électrique
  • Forewheel avec Michelin et Heuliez : démonstrateur de véhicule électrique
  • DHRT2 avec Toyota, EDF et l’Ecole des Mines : véhicule hybride et convergence habitat solairetransport
  • Velecta avec l’Aixam et l’INRETS pourdes quadricycles légers et lourds sans permis
  • Hydole avec PSA, Freescale, EDF pour un véhicule hybride à dominante électrique.

VidéoLaboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles (Liten)

poster des batteries des véhicules électriques


AnimationFonctionnement de la pile à combustibleAfficher en plein écran
Le premier prototype français pour l’automobile date de 2006
Les recherches menées au CEA sur les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC) ont notamment été conduites dans le cadre d’un partenariat privilégié avec PSA Peugeot Citroën pour aboutir, début 2006, à la présentation du prototype GENEPAC. C’est la pile la plus puissante construite en Europe, 80 kW, elle bénéficie d’un très bon rapport puissance / compacité : 1,1 kW/kg et 1,5 kW/l.

Le projet PVE (Petit véhicule électrique) est une application de ces batteries PROTOTYPE KART - Le projet PVE (Petit véhicule électrique) est une application de ces batteries. © Artechnique/CEA


Les piles à combustible

Le principe de la pile à combustible est relativement simple : produire simultanément de l’électricité et de la chaleur en recombinant électrochimiquement de l’oxygène et de l’hydrogène, avec de l’eau pour seul « rejet ». Il existe plusieurs types de piles à combustible (PAC) qui se différencient par leur électrolyte. Cet électrolyte définit la température de fonctionnement de la pile et, pour partie, son application. Les recherches du CEA portent sur les deux technologies les plus prometteuses de PAC : les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC, pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) et les piles à oxydes solides (SOFC, pour Solid Oxide Fuel Cell). Leurs applications sont complémentaires et leurs contraintes très différentes.

Les PEMFC, fonctionnant à basse température, sont privilégiées pour les applications transports et nomades. A court terme, l’industrialisation des piles PEMFC se fera d’abord dans la téléphonie portable sous forme de micropiles, grâce aux faibles puissances requises et aux grandes séries de production permises. Le développement progressif de piles PEMFC permet d’équiper des générateurs de secours ou des flottes de petits véhicules à usage professionnel. À l’horizon 2020 ce sera le démarrage du déploiement dans l’automobile grand public.

Réaction dans une PEMFC

Réaction dans une PEMFC - © DR


Les SOFC sont destinées quant à elles plutôt aux applications stationnaires en cogénération (électricité et chaleur) ou comme auxiliaires de puissance pour les transports. Plus tolérantes vis-à-vis du combustible et présentant de meilleurs rendements que la PEMFC, elles n’ont cependant pas encore atteint tous les objectifs technologiques (coût et durée de vie) nécessaires à leur développement à grande échelle, en raison notamment des très hautes températures impliquées (supérieures à 800°C). Les recherches menées répondent à plusieurs
enjeux :

  • Réduction du coût de la pile, en particulier du catalyseur. Le coût de la pile demeure un obstacle majeur à sa large diffusion. Afin de réduire le coût du catalyseur en platine, les recherches portent sur l’utilisation de nanoparticules de platine, qui permet de diminuer significativement la charge en platine sans perte notable des performances électrochimiques. Le remplacement de la membrane Nafion® fait également l’objet d’études à partir de matériaux compétitifs. Les objectifs sont d’atteindre 45 $/kW et 30 $/kW en 2015 (sur la base de 500 000 unités/an dans le marché de l’automobile grand public). Pour des marchés de niche, ces objectifs sont moins ambitieux et l’on peut viser comme prix objectif 1 000 à 1 500 €/kW.

  • Augmentation de la durée de vie et mise en conditions réelles d’utilisation. Les piles ont aujourd’hui une durée limitée, entre 3 000 et 5 000 heures en fonction des applications. Pour améliorer ces performances, 8 bancs de tests ont été mis à contribution et 16 000 heures de tests réalisées, à la fois en conditions opératoires normales (variations de température, pression, humidité, alimentation en gaz…) que dégradées. Les chercheurs travaillent à la modélisation et à la caractérisation fine des éléments pouvant perturber le bon fonctionnement de la pile : mécanismes de dégradation de la membrane
    et du vieillissement des assemblages, effets de l’humidification, transferts…
Schéma pile Réaction dans une PEMFC - © DR

Alimentation électrique
d'un voilier
VidéoZéro CO2, le premier bateau au monde alimenté par hydrogène
En 2009, un voilier de plaisance a été équipé d’un groupe électrogène à pile à combustible (GENEPAC) de type PEMFC, d’une puissance électrique de 30 kW. L’énergie embarquée est sept fois plus importante qu’avec des batteries traditionnelles. “Zéro C02” à été présenté en 2009. Ce bateau de 12 mètres est équipé d’un moteur électrique alimenté par une pile à combustible développée par l’Institut Liten du CEA, qui a en charge toute l’architecture électrique, c’est-à-dire la propulsion par moteur auxiliaire électrique sous 400 volts, l’électricité à bord en 12 V continus, le standard pour la navigation de plaisance, ou en 220 V alternatifs qui servira à alimenter les appareils de mesure.


Vecteur Hydrogène

En termes d’énergie, l’hydrogène présente plusieurs avantages : il est très répandu sur Terre, combiné avec, par exemple, de l’oxygène pour former de l’eau (H2O) ou avec du carbone pour les hydrocarbures (HC), également dans la biomasse. Il est trois fois plus énergétique que les carburants classiques. Il est aussi « écologique » : il libère son énergie chimique par combustion, en produisant de la chaleur et de l’eau sans émettre de gaz à effet de serre.

En revanche, contrairement aux autres sources d’énergie (Soleil, pétrole, charbon, gaz), il n’existe pas dans la nature et il faut donc le synthétiser. L’hydrogène est un vecteur énergétique. Mais pour être compétitif par rapport aux autres sources d’énergie et contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique, l’hydrogène doit garantir l’absence de pollution à chaque étape : production, stockage, transport et distribution.


Production

L’hydrogène est un gaz couramment utilisé dans les industries chimiques, pétrolières et dans d’autres secteurs industriels (microélectronique, sidérurgie, spatial…). Actuellement, la quasi-totalité de cet hydrogène est produit par des procédés basés sur la décomposition d’hydrocarbures, vaporeformage, tous émetteurs de gaz à effet de serre. Seulement 4 % de cette production est issue de la décomposition de l’eau par électrolyse. Dans la perspective d’une production d’hydrogène sans émission de gaz à effet de serre, le CEA travaille sur des procédés thermochimiques, utilisant directement la chaleur de sources telles que la géothermie, le solaire à concentration ou l’électrolyse à haute température de vapeur d’eau couplée à une centrale nucléaire ou solaire à concentration. L’objectif est de baisser le coût de production de l’hydrogène à 2 €/kg. Une autre voie d’étude, la photobiologie, permettrait la production d’hydrogène à partir de micro-algues et d’hydrogénases. Le CEA a lancé en 2005 un programme BioH2, pour renforcer la recherche sur la production de bio-hydrogène.

Deux axes principaux de recherche ont été abordés dans ce programme :

  • Explorer les capacités des micro-organismes à produire de l’hydrogène, à partir d’eau et de soleil ;
  • Développer, par une approche biomimétique, des catalyseurs pour la production photocatalytique d’hydrogène par conversion de l’énergie solaire.


L’hydrogène est trois fois plus énergétique que les carburants classiques.

Pour en savoir plus sur l'hydrogène

Stockage

L’atome d’hydrogène est de très petite taille et le plus léger des éléments : un litre de dihydrogène (H2) pèse 90 milligrammes, soit le poids de 3 timbres poste. Sa dispersion dans l’atmosphère est extrêmement rapide en milieu non confiné. L’hydrogène sous forme gazeuse est inflammable et explosif. De ce fait, l’usage de l’hydrogène impose de garantir la sécurité de son utilisation et de son stockage. Les chercheurs du CEA s’intéressent à deux modes de stockage de l’hydrogène :

  • Le stockage gazeux haute pression s’effectue dans des conteneurs composites dont le liner est en polymère, matériau léger, étanche au gaz et résistant aux fortes pressions. Ce type de réservoir permet d’éviter les problèmes d’usure et de poids rencontrés sur les réservoirs métalliques, qui les rendent difficilement intégrables à un véhicule. À l’état gazeux, l’hydrogène est volumineux : l’énergie délivrée par 4 litres d’essence, l’est par 10 m3 d’hydrogène à la pression atmosphérique normale. Il faut donc le comprimer entre 350 et 700 bars pour qu’il puisse être transportable dans un volume raisonnable.
  • Le stockage basse pression en phase solide consiste à absorber l’hydrogène dans des matériaux capables de le restituer à la demande et qui présentent des avantages de sûreté et de compacité ; par exemple, l’hydrure. Mais il reste un inconvénient majeur : le poids demeure important.
GECOPAC, un fonctionnement de longue durée

Début 2008, une pile à combustible SOFC a fonctionné plus de 1 000 heures à 900°C en délivrant une puissance de 300 Watts. Ce résultat technologique a marqué une nouvelle étape dans le projet Gecopac dont l’objectif est de fabriquer un système prototype de cogénération à base d’une pile SOFC. Ce démonstrateur, à vocation pédagogique, a pour objectif d’expliquer le fonctionnement futur d’un système de cogénération domestique de quelques kWatts. En plus de sa performance, ce système présente l’avantage de récupérer l’hydrogène non utilisé lors du fonctionnement de la pile. Envoyé dans une chaudière où il sera brûlé, il augmentera le rendement énergétique du système.

Rotomoulage, tressage et bobinage
Le stockage de l’hydrogène sous pression peut se faire dans deux types de réservoirs bobinés :

  • réservoir composite (tenue à la pression) + vessie aluminium (pour l’étanchéité). Cette solution présente des problèmes de vieillissement, en cyclage.
  • réservoir composite + vessie plastique ; un système multicouches thermoplastique, par exemple de 5 à 8 mm d’épaisseur qui doit tenir à une pression de 300 à 700 bars, une température de 80°C et être barrière aux molécules d’hydrogène.

L’installation de tressage-bobinage réalise un empilement de couches, finalisant ainsi les réservoirs.

Rotomoulage, tressage et bobinage
© P.Stroppa/CEA