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________________________ OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION ________________________ RAPPORT SUR LES PERSPECTIVES OFFERTES PAR LA TECHNOLOGIE DE LA PILE A COMBUSTIBLE
SOMMAIRE Introduction 5 I - La nécessité de préparer notre avenir énergétique 9 1 - La consommation mondiale d'énergie 9 A - Le bilan global 9 B - La croissance de la population mondiale 9 C - Les conséquences en matière de consommation d'énergie 10 D - La prépondérance des énergies fossiles 12 2 - Les conséquences inquiétantes de l'utilisation des énergies fossiles 13 A - Dépendance et incertitudes de l'approvisionnement 13 B - Les pollutions engendrées par leur combustion 16 C - Les conséquences en matière d'environnement 17 D - Les conséquences en matière de santé humaine 18 E - Préparer la diminution du recours à ces énergies 19 3 - Une énergie quasiment idéale : l'électricité 20 A - L'électricité 20 B - Les difficultés de cette énergie 21 C - La nécessité de s'orienter vers de nouveaux modes de production d'énergie 23 II - La pile à combustible 25 1 - Historique et principe 25 A - Historique 25 B - Le principe 29 C - Les différentes sortes de piles 32 2 - Une source d'énergie aux multiples possibilités d'applications 34 A - La génération stationnaire d'énergie 34 B - La propulsion des véhicules 36 C - L'alimentation d'appareils portables 37 3 - Quel est le niveau réel de mise au point de la technique des piles à combustible ? 38 A - La pile à combustible à membrane (P.E.M.) 38 B - La pile à combustible direct 53 C - La miniaturisation des piles à combustible 55 D - Le fonctionnement d'un système générateur à pile à combustible 60 E - Quel prix pour les piles à combustible ? 65 4 - Les autres types de piles à combustible 67 A - Les piles à électrolyte solide 67 B - Les piles alcalines 71 C - Les piles à carbonates fondus 72 D - Les piles à acide phosphorique 73 5 - La politique de la recherche en matière de pile à combustible 76 A - Une intense activité en Amérique du Nord 76 B - Le Japon 87 C - L'Union européenne 89 D - L'action de différents Etats 92 E - La recherche en France 95 6 - La pile à combustible, une technologie nouvelle... parmi d'autres 113 A - L'évolution des batteries 114 B - L'évolution des véhicules à moteur à combustion interne 118 C - Vers les véhicules hybrides 122 III - Vers la civilisation de l'hydrogène 123 1 - Les caractéristiques et les utilisations de l'hydrogène 124 A - Les caractéristiques de l'hydrogène 124 B - Les utilisations industrielles de l'hydrogène 125 2 - L'hydrogène, carburant des piles à combustible 126 A - La fabrication de l'hydrogène 126 B - Le bilan environnemental de la production de l'hydrogène 128 3 - Les différents modes de fabrication de l'hydrogène 130 A - Le reformage in situ 130 B - la production centralisée d'hydrogène 133 C - Le stockage de l'hydrogène 134 D - Les problèmes de sécurité posés par l'hydrogène 139 E - La réglementation de l'hydrogène 141
Conclusion 145 Recommandations 149 Examen du rapport par l'Office 153 Personnalités auditionnées 155
Introduction Le principe de la pile à combustible a été découvert en 1839. Depuis cette époque l'intérêt porté à cette technique a été l'objet de mouvements de flux et de reflux. Nous sommes incontestablement à l'heure actuelle dans une période de « redécouverte » de cette technique. Ce nouvel intérêt s'est confirmé au début des années 1990, époque à laquelle notre collègue sénateur Pierre Laffitte évoquait cette technologie dans le rapport de notre Office sur « l'intérêt du véhicule électrique au regard de la protection de l'environnement ». Cette rédécouverte est due en partie aux échecs rencontrés dans l'élaboration des véhicules électriques à accumulateurs. Ceux-ci fonctionnent bien techniquement mais leur coût est trop important et il est impossible d'obtenir une autonomie et des vitesses satisfaisantes comme le notait alors Pierre Laffitte. Cette recherche dans le domaine du véhicule électrique était motivée par des considérations d'environnement. En effet l'évolution de l'atmosphère est devenue un problème majeur. On a longtemps considéré celui-ci comme limité à des zones restreintes, essentiellement celles qui sont urbanisées et industrialisées. Mais on s'est progressivement rendu compte que c'était un phénomène global concernant soit de régions entières (pollutions photochimiques et pluies acides), voire la planète dans son ensemble (diminution de la couche d'ozone, accroissement de l'effet de serre). L'accroissement de la pollution photochimique a, pour certains auteurs, des conséquences qui paraissent appréciables au niveau de la santé publique, en particulier dans le domaine des allergies respiratoires. De plus en plus d'autorités scientifiques établissent une corrélation entre l'effet de serre et le réchauffement indiscutable de la planète. On relie mal cet échauffement à des conséquences climatiques mais un certain nombre de répercussions à long terme peuvent d'ores et déjà être envisagées comme par exemple la fonte des glaciers, l'élévation du niveau moyen des océans ou la modification des courants marins, voire l'aggravation des perturbations météorologiques. Cet accroissement de l'effet de serre est dû à l'augmentation considérable des émissions de certains gaz, au premier rang d'entre eux, le dioxyde de carbone et le méthane mais également les oxydes d'azote. L'émission de gaz carbonique et d'oxydes d'azote trouve son origine dans la combustion des énergies fossiles. Parmi celles-ci, le pétrole a été au moins jusqu'en 1973 si prépondérant dans nos économies qu'on a pu parler d'« économie du tout pétrole ». Certes des changements très importants ont eu lieu depuis cette date. C'est ainsi que la France est l'un des pays qui, grâce à son effort et à sa réussite dans le domaine nucléaire, a su le mieux desserrer cette contrainte pétrolière. Mais il est un domaine où le pétrole n'a pas cédé de terrain : c'est celui des transports où il couvre 95 % des besoins. La consommation des carburants automobiles est en augmentation du fait de la croissance du nombre des véhicules au niveau mondial et de l'accroissement des distances parcourues malgré les progrès des moteurs en termes de consommation. Une autre préoccupation s'est faite jour : celle de l'épuisement, à terme inéluctable, de ces énergies fossiles et, notamment, du pétrole ; celui du gaz naturel étant sans doute plus lointain. Il est peut être alors temps de réfléchir à la possibilité de remplacer cet extraordinaire produit qu'est le pétrole dans ses utilisations les plus frustes, comme de le brûler dans des moteurs au rendement énergétique médiocre, pour le réserver à l'élaboration de produits à haute valeur ajoutée. Il n'est certainement pas trop tôt pour engager cette réflexion, d'autant que dans un délai plus court qu'on ne l'imagine généralement, sa rareté risque de provoquer une élévation de son prix qui en attestera la valeur. Il faudra inévitablement pouvoir ménager une transition assez longue pour changer l'assise énergétique du monde entier au profit d'une autre énergie qui serait renouvelable et moins polluante. Cette énergie du futur pourrait être l'hydrogène. Cet hydrogène pourrait être employé comme carburant comme il l'est d'ailleurs déjà pour la propulsion des fusées et engins spatiaux. Mais la combustion de l'hydrogène a un rendement relativement faible, et, de plus, ce gaz, quoiqu'extrêmement répandu dans la nature mais sous forme combinée avec l'oxygène ou le carbone, doit être produit à partir de plusieurs précurseurs. L'hydrogène peut être utilisé avec un rendement beaucoup plus élevé dans ce qu'on appelle couramment une « pile à combustible ». C'est en fait un générateur d'électricité à hydrogène. Le principe de base n'est plus une combustion mais une conversion électrochimique, inverse de l'électrolyse. Cette pile à combustible, continuons de l'appeler comme cela, est devenue depuis quelques années un sujet relativement médiatisé. On nous en annonce de façon régulière la mise au point puis l'irruption dans notre vie quotidienne sous des délais très brefs... qui passent sans que rien n'apparaisse réellement. La saisine de l'Office est donc particulièrement opportune. Elle permettra de faire un point le plus complet possible sur cette technique qui est très complexe. Après avoir brossé l'environnement énergétique dans lequel cette technique retrouve une grande actualité, on rappellera l'ancienneté du principe à la base de son fonctionnement. Nous nous interrogerons ensuite sur le niveau réel de la mise au point de ce générateur d'énergie et présenterons les activités de recherche conduites dans le monde sur cette technique. Mais cette pile à combustible devra affronter la concurrence de technologies bien en place comme les batteries et le moteur à combustion interne qui n'a pas encore atteint ses limites de développement. Enfin nous nous demanderons si les piles à combustible ne vont pas être les premières applications de grande diffusion de l'hydrogène, celles qui ouvriront les portes de la civilisation de ce gaz. Nous souhaitons chaleureusement remercier toutes les personnalités qui ont bien voulu prendre sur leur temps pour nous faire part de leur opinion. Elles nous ont permis de construire notre propre réflexion sur ce sujet passionnant. Notre gratitude va également à tous ceux qui nous ont apporté une aide précieuse pour la préparation et le déroulement de nos missions.
I - la nécessité de préparer notre avenir énergétique Il convient tout d'abord de rappeler la situation actuelle de la consommation mondiale d'énergie qui fait apparaître la part importante des énergies fossiles. 1 - la consommation mondiale d'énergie A - Le bilan global La consommation énergétique mondiale repose à 80% sur les trois grandes énergies fossiles : pétrole, gaz et charbon. Le tableau ci-dessous présente la répartition de la consommation énergétique mondiale et l'évolution attendue en 2020 :
(1) hydroélectricité, bois, solaire, éolien, biomasse Sources : International Energy Outlook et BP statistical review of world energy 1998 Selon le Conseil mondial de l'énergie, avec 3,3% de croissance annuelle, le gaz naturel pourrait devenir en 2050 la première source d'énergie. Cette croissance s'explique principalement par le développement accéléré de son utilisation pour la production d'électricité, grâce au progrès technologique que représentent les cycles combinés et la cogénération. De plus le gaz naturel présente des avantages décisifs pour la protection de l'environnement. Le pétrole quant à lui représenterait en 2020 encore un gros tiers de la consommation d'énergie. La diminution de sa part ne serait donc que très limitée, sauf en cas de flambée des prix. Il conservera sans doute une place prépondérante dans les transports. B - la croissance de la population mondiale En 2020, la population mondiale devrait dépasser les 8 milliards d'habitants. Même si la tendance actuelle de la croissance démographique mondiale est au ralentissement, la structure géographique de la population mondiale va se modifier comme le montre le tableau suivant (en millions) :
Sources : Conseil mondial de l'énergie, O.N.U. On voit que la population mondiale augmentera de plus de la moitié mais certaines zones stagneront (Amérique du Nord, Europe, C.E.I., Japon). L'accroissement se concentrera en Asie du Sud et du Sud-Est ainsi qu'en Afrique subsaharienne. La population des pays actuellement développés, qui représentait environ 22 % de la population mondiale en 1990, n'en représentera plus en 2020 qu'environ 16,5%, soit moitié moins qu'en 1950. La population des pays actuellement en voie de développement verrait sa croissance ralentir sensiblement mais représenterait une part de plus en plus grande de la population mondiale. C - Les conséquences en matière de consommation d'énergie Il est assez difficile de traduire les évolutions démographiques en prévisions de consommations d'énergie. Cependant des scénarios assez réalistes peuvent néanmoins être envisagés comme le montre le tableau suivant élaboré d'après des tableaux du Conseil mondial de l'énergie et de B.P ., en millions de tep :
Les consommations d'énergie devraient donc se modifier de façon considérable. Le plus notable est la croissance de la part de l'Asie, hors Japon, dans la consommation mondiale : de 20 % en 1990 à 40 % en 2020. Cette demande émanera essentiellement de la Chine, de l'Inde, de l'Indonésie et de la Corée. Les consommations seront très concentrées dans des agglomérations de très grande taille. Si l'Amérique latine et l'Afrique représenteront chacune environ 10 % de la consommation mondiale d'énergie en 2020, il faut noter que la progression de l'Afrique subsaharienne sera plus faible que celle de l'ensemble Afrique du Nord - Moyen-Orient. Ces pays consommeront essentiellement des énergies d'origine fossile. D - La prépondérance des énergies fossiles La part des énergies fossiles croîtra de 84,5% du bilan énergétique global en 1995 à 89% en 2020 La part du pétrole va rester importante. La production de pétrole conventionnel se concentre au Proche-Orient, avec tous les risques que cela implique. Le pétrole non conventionnel (huiles lourdes) devra être produit à grande échelle. Le pétrole est utilisé par la pétrochimie, pour la production de chaleur (en concurrence avec le gaz et l'électricité), et surtout par les transports où il n'a actuellement pas de concurrent. La contribution du gaz devrait augmenter. Sa part dans la couverture des besoins mondiaux pourrait passer de 22% actuellement à près de 30% en 2020, voire plus encore si les contraintes environnementales incitent à produire beaucoup plus d'électricité à partir du gaz. La demande de gaz devrait croître six fois plus vite que celle des autres énergies dans leur ensemble, particulièrement en Asie pour la production d'électricité. On pourrait imaginer que, pour respecter les engagements de Kyoto, la part du charbon, 25% actuellement, diminue de façon importante. C'est pratiquement impossible car l'Inde et la Chine qui en sont producteurs en ont besoin pour leur développement. Dans ces pays la consommation de charbon devrait donc s'accroître. La part des pays industrialisés dans la demande primaire d'énergie décline rapidement. Ces pays consommaient au début des années 1970 près de 63% de l'énergie utilisée dans le monde. Cette part pourrait diminuer jusqu'à 30% d'ici 2050. Dans les pays en voie de développement, qui représentent 80% de la population mondiale, la consommation d'énergie par tête est aujourd'hui faible. Le rythme de croissance de leurs besoins énergétiques dépendra du choix du modèle économique (mode de transport, urbanisation, maintien d'une activité rurale, forte industrialisation...). La part des pays en développement dans l'ensemble des besoins en énergies primaires pourrait passer de 34% en 1990 à 48-55% en 2020 et 58-67% en 2050. L'Asie consommerait près de 30% de l'énergie mondiale en 2015. Se pose le cas particulier de la Chine et l'évolution de sa consommation d'énergie dans l'avenir. Actuellement une part très importante de sa consommation est le fait de ses industries de base. Leur activité se maintiendra tant que la Chine devra développer ses infrastructures de base. A long terme, on peut s'attendre à un remplacement progressif des activités industrielles lourdes par des infrastructures plus économes en énergie. La demande de transport, faible actuellement (9% des besoins en énergie du pays), risque d'exploser dans l'avenir. Les besoins énergétiques de l'Amérique du Sud progressent aussi rapidement. La libéralisation des marchés en cours dans cette zone stimule la consommation d'énergie. La part de l'Afrique reste modeste dans les besoins mondiaux en énergie. Sa demande d'énergie primaire a crû de 3% en moyenne au cours des dix dernières années. 2 - les conséquences inquiétantes de l'utilisation des énergies fossiles Celles-ci ont trait à la dépendance et à l'incertitude de l'approvisionnement, aux pollutions engendrées par leur combustion, aux conséquences en matière d'environnement et de santé humaine. Ce constat doit amener à préparer des solutions visant à diminuer le recours à ces énergies. A - Dépendance et incertitudes de l'approvisionnement Nous examinerons les situations respectives du pétrole, du gaz et du charbon. a - Le pétrole Le premier choc pétrolier de janvier 1974 a entraîné une hausse brutale de 368% sur un an : le baril est ainsi passé de 5,2 dollars à 11,7 dollars. A la fin de 1998, le baril était à 10 dollars pour remonter à près de 27 dollars en juin 2000, soit une hausse de 245% sur cette période. Actuellement le prix du baril de pétrole se maintient entre 22 et 28 dollars. Mais le pétrole n'a plus autant d'importance dans l'économie occidentale : en 20 ans, sa part dans les échanges mondiaux est passée d'environ 20% à 5%. La flambée des cours du brut ne provoque plus comme autrefois récession et poussée inflationniste. Avec l'essor des services, le développement et la maturité du nucléaire, l'augmentation de l'efficacité énergétique, les économies sont devenues un peu moins dépendantes du pétrole. Le pétrole ne représente plus que 37% des approvisionnements énergétiques mondiaux. La dépendance pétrolière de l'Union européenne est tombée de 98% à 53% en 30 ans. Compte tenu de son emploi dans les transports, le pétrole reste cependant une énergie des plus sensibles. L'origine des importations a beaucoup changé depuis 1973 comme le montre le tableau suivant (en %) :
Nous avons donc considérablement réduit notre dépendance à l'égard du Moyen-Orient et accru celle envers les pays de l'ex-U.R.S.S dans des proportions qui semblent très raisonnables. La diversification de nos sources de pétrole s'est finalement faite quasiment seulement au bénéfice de la zone européenne et même communautaire. On ne peut que se réjouir de cette situation, notamment du point de vue de la sécurité régionale qui règne en Europe du Nord. Cependant, l'état des réserves mondiales de pétrole actuellement prouvées incite à un peu plus de prudence. En effet, celles-ci peuvent être estimées de la façon suivante en années de réserve :
Source : BP Statistical review Il y a donc une grande inégalité dans la répartition des réserves de pétrole et l'Europe est particulièrement vulnérable en matière de réserves propres. Certes il y a des débats sur le niveau de ces réserves car d'une part, la hausse du prix du pétrole incite à mettre en production un plus grand nombre de puits et d'autre part, le progrès technique permet de récupérer plus de pétrole dans des conditions économiques satisfaisantes. Mais notre approvisionnement en pétrole risque dans un avenir plus ou moins proche de redevenir très dépendant de zones pouvant être politiquement instables ou imprévisibles. Il n'est certainement pas prématuré de s'en soucier. b - Le gaz Aujourd'hui les réserves prouvées de gaz sont estimées à 145 000 milliards de m3, les réserves économiquement exploitables à 300 000 milliards de m3, et les réserves totales à 600 000 milliards de m3. Les réserves prouvées devraient atteindre 90 ans de consommation en 2030. Il faut ajouter à cela les nouvelles réserves : gaz des couches peu perméables, des gisements sous-marins, des mines de charbon et à plus long terme des hydrates sous-marins (gisement supérieur à toutes les réserves connues) et du méthane produit par séquestration du CO2. Les réserves de gaz connues se concentrent dans l'ex Union soviétique, au Moyen-Orient, en Asie du Pacifique et en Amérique du Nord. L'Union européenne produit de moins en moins de gaz et sa dépendance extérieure va s'accentuer. Nous retrouvons là une vulnérabilité analogue à celle existant dans le domaine du pétrole et qui s'ajoute à cette dernière. Le prix du gaz suit celui du pétrole avec un décalage dû à la nature des contrats d'achat. Mais pour cette énergie, c'est la partie « transport » qui représente l'essentiel du coût. Les deux moyens de transports traditionnels sont les gazoducs terrestres ou sous-marins et les navires méthaniers. c - Le charbon Il représente aujourd'hui 30% du marché énergétique mondial. Le charbon comme source d'énergie a encore de belles perspectives devant lui. Les gisements prouvés de houille et de lignite atteignent 3 500 milliards de t.e.p. (tonnes équivalent pétrole). Son coût d'extraction est faible. Depuis 30 ans, la tonne de charbon coûte entre 30 et 50 dollars. De plus, les gisements sont bien répartis et se trouvent principalement dans des pays politiquement sans risques comme l'Australie et les Etats-Unis. La Chine est également un pays très gros producteur mais personne ne peut savoir quel est son avenir politique. Le charbon pose cependant potentiellement de gros problèmes d'environnement, car sa combustion entraîne de fortes pollutions. Il est donc nécessaire soit d'épurer les fumées soit d'employer des techniques de combustion très sophistiquées, soit de combiner les deux procédés. B - Les pollutions engendrées par leur combustion La pollution atmosphérique a longtemps été perçue comme un problème limité à des zones restreintes, urbaines et industrialisées. Mais on s'est progressivement rendu compte que la pollution atmosphérique ne peut pas être, en fait, considérée comme un phénomène local. Elle concerne en réalité des régions entières (pollutions photochimiques, pluies acides), voire la planète dans son ensemble (diminution de la couche d'ozone, accroissement de l'effet de serre). Nous évoquerons plus particulièrement l'effet de serre. Les gaz dits à effet de serre empêchent la dissipation de la chaleur de la Terre. Ils exercent de ce fait un effet similaire à celui des vitres d'une serre qui, si elles laissent passer la lumière visible, retiennent de l'intérieur le rayonnement thermique. Sans la présence de ces gaz, la température moyenne à la surface de notre planète serait de -18°C au lieu de +15°C. Les principaux gaz à effet de serre sont le dioxyde de carbone, le méthane, qui a cinquante fois plus d'action que le CO2, et l'oxyde d'azote (ou protoxyde d'azote). Les oxydes d'azote sont émis par tous les systèmes de combustion à haute température. Les transports en sont donc les principales sources d'émissions. Concernant les autres polluants, entre 80% et 90% des composés organiques volatiles anthropiques (C.O.V.) et 90% du monoxyde de carbone (CO) émis dans les villes proviennent des véhicules motorisés. Les transports et l'industrie sont responsables de l'émission de particules fines. Des progrès ont néanmoins été accomplis depuis quelques années. C'est ainsi que les émissions de CO et de plomb, métal lourd toxique contenu dans le pétrole, ont été progressivement réduites dans la plupart des villes européennes depuis 5 à 10 ans, grâce à l'introduction du pot catalytique et de l'essence sans plomb. Les émissions de NOx de C.O.V. et de particules fines diminuent par contre beaucoup plus lentement car le nombre d'automobiles et le kilométrage parcouru sont en constante augmentation. C- Les conséquences en matière d'environnement L'accroissement des gaz à effet de serre est une évolution qui a commencé voilà déjà environ un siècle. C'est ainsi qu'au cours du XXème siècle, la température moyenne globale de l'air en surface a augmenté d'une valeur comprise entre 0,3 et 0,6°C selon certains auteurs et 1°C selon d'autres. Parallèlement, on a observé que le niveau moyen des océans a, quant à lui, monté de 10 à 25 cm. Dans certaines régions, des modifications dans la variabilité et les extrêmes climatiques sont également intervenues. Un certain nombre de simulations ont estimé que l'augmentation de la température moyenne à la surface du globe serait de 2°C entre 1990 et 2100, le niveau de la mer s'élevant dans le même temps de 50 cm. Ces augmentations des émissions de gaz à effet de serre sont, pour une part très importante, certainement d'origine anthropique comme le montre la diminution de la concentration en oxygène de l'air et les analyses de la composition isotopique du gaz carbonique. Le volume mondial des émissions de gaz à effet de serre s'est accru de 8,2% entre 1990 et 1997. L'évolution régionale est plus inquiétante encore : l'accroissement est d'un tiers pour la Chine, de 56% pour l'Asie, de 15 à 20% pour l'Afrique. Les émissions de ces gaz pourraient, selon l'O.C.D.E., tripler d'ici 2050. Le sommet de Rio, en 1992, a permis de ratifier la convention cadre de l'O.N.U. sur le changement climatique, avec pour objectif la stabilisation des émissions en l'an 2000 au même niveau qu'en 1990. En 1997, au sommet de Kyoto, ces engagements ont été prolongés pour la période 2008-2012, les pays industriels s'engageant à réduire en moyenne de 5,2% leurs émissions et l'Union européenne de 8%. L'objectif de réduction des émissions des pays industrialisés peut paraître modeste face aux enjeux. Les pays développés doivent en effet parvenir à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre et cesser d'offrir aux pays du Sud le modèle de développement reposant sur une consommation d'énergie toujours plus importante. L'échec de la conférence de La Haye en décembre 2000 a de quoi inquiéter, ainsi que les déclarations du Président Bush. En effet, le protocole de Kyoto ne pourra entrer en vigueur que lorsque 55 pays représentant 55% des émissions mondiales de gaz à effet de serre l'auront ratifié. Il est évident que les Etats-Unis, qui émettent 36% du CO2 du monde industrialisé, représentent un poids particulièrement lourd. L'effet de serre n'est donc pas simplement un sujet d'études scientifiques. C'est également un problème politique à l'échelle de la planète qui a des répercussions en termes de santé publique, d'aménagement du territoire, de transports et de choix énergétiques. D- Les conséquences en matière de santé humaine La pollution de l'air est reconnue responsable d'une action défavorable sur les affections et les troubles respiratoires, asthme, affections pulmonaires obstructives chroniques, maladies cardio-vasculaires et cancer du poumon. On estime que trois millions de personnes meurent chaque année des conséquences de la pollution atmosphérique, soit 5% des 55 millions de décès annuels dans le monde.
De nombreuses études mettent en évidence le lien direct qui existe entre les taux de mortalité et les concentrations journalières ambiantes de produits chimiques. Il faut en effet conserver à l'esprit qu'une personne respire chaque jour 15 000 litres d'air. Les polluants atmosphériques comprennent les particules en suspension, les gaz et les vapeurs présents dans l'atmosphère à des concentrations anormalement élevées. Les particules les plus grosses sont retenues par les voies aériennes supérieures, alors que les plus fines peuvent pénétrer profondément dans les voies respiratoires inférieures, contribuant à une irritation de la muqueuse bronchique. Cet effet peut être particulièrement important chez les enfants dont les mécanismes de défense sont soit immatures soit particulièrement fragiles. Les particules affectent continuellement un plus grand nombre de personnes que tout autre polluant. Ce sont des poussières grossières (sol et cendres minérales) ou des poussières fines provenant de la fumée du bois ou de l'échappement des moteurs. Les polluants atmosphériques gazeux sont principalement les oxydes d'azote (NOx), l'ozone (O3), l'oxyde de carbone (CO), le dioxyde de soufre (SO2), et les composés organiques volatiles. L'ozone est un gaz très agressif pour les muqueuses oculaires et respiratoires. Il pénètre facilement jusqu'aux voies respiratoires les plus fines. Le dioxyde de soufre provient de la combustion de combustibles fossiles contenant du soufre (mazout, charbon). Il forme en présence d'humidité de l'acide sulfurique qui est très irritant. Celui-ci peut déclencher un spasme bronchique chez les asthmatiques, augmenter la fréquence et l'intensité des symptômes respiratoires aigus chez l'adulte (toux, gène respiratoire). Il peut également encore altérer la fonction respiratoire chez l'enfant. Le dioxyde d'azote peut pénétrer dans les plus fines ramifications des voies respiratoires. Il peut, dès 200 microgrammes par m3 d'air, entraîner une altération de la fonction respiratoire. Il provient des véhicules et des installations de combustion. Le monoxyde de carbone a la propriété de se fixer à la place de l'oxygène sur l'hémoglobine du sang, conduisant ainsi à un manque d'oxygénation du système nerveux, du c_ur et des vaisseaux sanguins. Il peut provoquer des maux de tête, des vertiges... Le monoxyde de carbone provient des combustions incomplètes des carburants et des combustibles. Les composés organiques volatiles proviennent notamment des hydrocarbures. Leurs effets vont de la simple gêne olfactive jusqu'à des risques mutagènes et cancérigènes. C'est notamment le cas du benzène dont les émanations sont importantes lors des innombrables opérations de remplissage des réservoirs d'hydrocarbures. Les concentrations de dioxyde de soufre et de particules en suspension diminuent dans les pays industrialisés tandis que celle de NOx et d'ozone sont constantes ou en augmentation. Dans les pays en développement, l'augmentation de la circulation routière et des gaz d'échappement et des émissions industrielles accroît les concentrations de dioxyde de soufre, de particules en suspension, de NOx et de O3. E- Préparer la diminution du recours à ces énergies Les pouvoirs publics français ne peuvent répondre entièrement seuls. Beaucoup de questions qui ont une incidence directe sur la politique énergétique sont maintenant traitées dans le cadre de l'Union européenne : ouverture des marchés électriques et gaz, normes environnementales, taxation des carburants.
Compétitivité, sécurité d'approvisionnement et environnement : ces choix stratégiques seront de plus en plus élaborés en concertation avec nos partenaires. La France est le pays industrialisé qui émet le moins de dioxyde de carbone par habitant, grâce à la place importante du nucléaire et de l'hydraulique dans son bilan énergétique. Mais cette structure de la production limite fortement ses possibilités de réduire ses émissions par substitution de combustibles. Il lui sera ainsi particulièrement difficile de se conformer aux engagements de Kyoto, qui exigent de ramener les émissions de 2010 au niveau de celles de 1990. L'industrie paraît en mesure de stabiliser ses émissions d'ici 2010. Mais les risques d'augmentation sont réels dans le résidentiel et le tertiaire et très importants dans le transport. Les consommations d'énergie (donc les émissions de CO2) du secteur des transports sont en croissance en raison notamment de la progression du trafic marchandises sur longue distance. La stagnation des émissions apparaît possible, mais elle requerra non seulement des politiques publiques volontaires, mais encore une forte adhésion de l'opinion à la politique de sobriété énergétique. Le développement des énergies nouvelles et renouvelables doit donc être envisagé et encouragé. Cependant la couverture des besoins énergétiques, sans augmenter l'effet de serre, ne pourra être atteinte que par le nécessaire maintien et certainement par l'augmentation de notre parc de centrales nucléaires. 3 - Une énergie quasiment idéale : l'électricité A - L'électricité L'électricité joue un rôle essentiel dans notre civilisation. Dans les pays industrialisés, elle est omniprésente, toujours disponible et apportée aux multiples points d'utilisation par un réseau de distribution ramifié. Celle-ci est essentiellement produite dans de grandes centrales, thermiques ou hydrauliques, utilisant soit des combustibles fossiles (charbon, hydrocarbures), soit des combustibles nucléaires (uranium), soit l'énergie hydraulique. Des générateurs (alternateurs) y produisent de l'électricité sous forme alternative. Cette énergie est transportée vers les centres de consommation grâce à des réseaux filaires. Lorsque l'énergie doit être produite sur place, endroits d'accès difficile, balises marines... on a recours à d'autres modes de production : groupes électrogènes à moteur Diesel, convertisseurs photovoltaïques, éoliennes. B - Les difficultés de cette énergie a - En matière de prix Un précédent rapport de l'Office a étudié les coûts de production de l'électricité et a comparé les différentes filières dans tous les pays. Une des conclusions est que comparativement aucune technologie ne l'emporte sur les autres. Les conditions économiques et réglementaires de chaque pays déterminent les hiérarchies de compétitivité des filières au plan national. Depuis plusieurs années, les installations de cycles combinés à gaz ont fait des progrès techniques importants. Les rendements ont augmenté de façon considérable : depuis 1996, le gain dépasse les 50%. Les progrès de cette filière sont plus importants et plus rapides que ceux du nucléaire. Enfin la compétitivité de cette filière est soutenue par la diminution du prix du gaz depuis dix ans d'une part et l'apparition de nouveaux types de turbines d'autre part. La technologie des centrales à charbon a aussi considérablement évolué en termes d'épuration des effluents gazeux et les prix du charbon sont stables depuis trente ans. Le coût du kWh produit avec un cycle combiné à gaz pourrait se situer entre 16,5 et 20,5 centimes alors que le coût du kWh nucléaire se situerait entre 12 et 20 centimes, après amortissement. Le coût du combustible est important. Il représente de 60 à 70% du coût total pour le gaz et seulement 20% pour le nucléaire. Les vulnérabilités des deux filières sont donc très différentes face à des perturbations sur les prix ou les approvisionnements. Les coûts du kW/h produit par les énergies renouvelables sont beaucoup plus élevés.
Lorsque l'on prend en compte les coûts externes, c'est à dire les émissions de polluants des différentes filières, le nucléaire est le mode de production de l'électricité le plus compétitif. Par contre la production d'électricité par des installations à cycle combiné à gaz devient compétitive dans un certain nombre de pays. Le nucléaire s'impose donc pour tous les grands pays industrialisés pour la production de masse d'électricité. b - En matière de transport Une caractéristique fondamentale de l'électricité est qu'elle ne peut pas être stockée. Il faut donc organiser son transport. Il est nécessaire d'ajuster la production et la livraison d'électricité à la demande des consommateurs et pouvoir compter sur un réseau fiable. Pour des raisons économiques, la production d'électricité est concentrée sur quelques sites du territoire, il faut ainsi transporter de très fortes puissances sur de longues distances. On utilise de très hautes tensions, afin d'éviter le maximum de pertes en ligne lors du transport. Pour aller d'un point à un autre, l'électricité emprunte plusieurs lignes différentes. Quand une ligne est endommagée, on reporte la charge sur les autres. Le maillage coûte cher mais permet de pallier des défaillances du réseau et permet aussi d'exploiter au mieux les sites de production les plus rentables. La fiabilité du réseau est donc très importante. Les tempêtes de décembre 1999 ont montré à la fois les graves conséquences des coupures d'électricité, la vulnérabilité de ce transport et la nécessité d'un fort maillage. On a aussi envisagé d'enterrer les lignes, ce qui est fort coûteux et difficile pour les lignes à très haute tension. L'exploitation du réseau français est en pleine transformation. La directive européenne du 19 décembre 1996 organise l'ouverture progressive des marchés de l'électricité. Elle prévoit l'arrivée de nouveaux producteurs sur le marché national et la liberté d'accès au réseau de transport et de distribution. La loi française du 20 février 2000 a transposé cette directive. Elle a créé un gestionnaire du Réseau de transport d'électricité, (R.T.E.) qui a pour mission d'exploiter, d'entretenir et de développer les réseaux de transport. c - En matière de stockage L'électricité est transportée sur de grandes distances avec de faibles pertes, mais il est difficile de la stocker efficacement. La production électrique doit donc s'adapter à la demande. Le stockage de l'électricité facilite la décentralisation de la production d'énergie, ce qui évite d'investir dans de grosses infrastructures, et permet une plus grande souplesse d'utilisation. Les possibilités de développement des technologies de stockage de l'électricité restent très importantes et représentent un enjeu capital au niveau mondial. On peut stocker de l'électricité en transformant l'énergie électrique en une autre forme d'énergie, qui peut être emmagasinée puis récupérée. Les barrages stockent ainsi l'énergie potentielle de l'eau qui est utilisée selon les besoins voulus. L'énergie électrique peut être stockée sous forme d'énergie chimique. C'est le cas des accumulateurs. Les piles représentent la méthode de stockage d'électricité la plus répandue. La flexibilité et la facilité de ces méthodes chimiques leur ont donné une position importante sur le marché. Elles sont fiables et sont utilisables au moment précis où l'on en a besoin. Elles présentent quelques limites : elles sont lourdes, pas assez puissantes, trop longues à charger et trop chères à fabriquer. Elles ont de faibles performances et posent des problèmes de recyclage en fin de vie. Une autre possibilité de stocker l'énergie de façon indirecte est de procéder à l'électrolyse de l'eau pour fabriquer de l'hydrogène, mais ce n'est pas compétitif par rapport au « cracking ». C - La nécessité de s'orienter vers de nouveaux modes de production d'énergie. Il existe d'autres modes de production d'énergie fondés notamment sur l'utilisation des énergies renouvelables. On n'en fera qu'un très rapide survol dans la mesure où elles font l'objet d'un rapport en cours de l'Office. a - L'énergie éolienne Pour qu'une éolienne produise de l'énergie, il faut que le vent souffle le plus régulièrement possible à une vitesse supérieure à 15 km/h. Ces conditions se retrouvent en bordure du littoral et sur les reliefs. Les pales ne résistent pas à des vents supérieurs à 100 km/h et sont très sensibles à la corrosion du sel et du givre. Le rendement d'une éolienne varie de 15 à 35%. En moyenne le kW/h éolien français coûte entre 33 et 42 centimes. La production par éolienne ne cesse d'augmenter mais ne pourra concerner qu'une faible proportion de la production nationale d'électricité. La politique française éolienne à l'horizon 2010 s'est fixée un objectif de production d'électricité de 250 à 500 MW. La production d'électricité par éolienne progresse actuellement. Sa capacité installée dans le monde a doublé entre 1995 et 1998. b - L'énergie photovoltaïque Le principe de la production d'électricité photovoltaïque est bien connu, mais difficile à mettre en _uvre. Le rendement de telles piles est assez faible par rapport à l'apport d'énergie. Les pertes d'énergie sont importantes et on n'obtient qu'une conversion de 15 à 26% de l'énergie électromagnétique. Le fonctionnement des piles est peu polluant, mais la production et le recyclage des composants sont assez délicats. Cependant des recherches sont menées pour évaluer de nouvelles architectures cristallines et de nouveaux matériaux. Le solaire photovoltaïque est actuellement l'énergie renouvelable la plus coûteuse. L'usage du photovoltaïque se limite aux endroits où il n'est pas économiquement viable d'amener l'énergie produite dans une centrale (habitation isolée, bornes de téléphone, signalisation...) En France, l'objectif de l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (A.D.E.M.E.) est d'atteindre 50 MW installés supplémentaires en 2005, la puissance installée étant de 8 MW en 1999. c - Les biocarburants Le biocarburants sont des carburants obtenus à partir d'une matière première végétale. Le gros avantage de ce type de carburant est d'être utilisable avec des moteurs traditionnels sans modification et de manière interchangeable avec les carburants classiques. Les coûts de production sont largement supérieurs à ceux des carburants fossiles. Ils bénéficient actuellement d'une forte détaxe dans de nombreux pays. Ils permettent de lutter contre la pollution automobile et d'utiliser à des fins non alimentaires des terres agricoles mises en jachère. Ces modes de production sont encore très marginaux compte tenu de leur coût de revient. Ils ne sont naturellement en aucune façon susceptibles de remplacer les énergies fossiles. Une seule technique est susceptible de le faire à terme : la pile à combustible. II - La pile à combustible 1 - Historique et principe Les piles à combustible ont mis plus de 150 ans pour évoluer du stade de l'invention à l'innovation, ce qui est un phénomène assez rare dans l'histoire des technologies. Leur aventure a été ponctuée par des mouvements itératifs de développement, d'abandon puis de redéveloppement. Nous le verrons en évoquant leur historique avant d'en décrire le principe. A - Historique Après l'âge des précurseurs et un relatif abandon, succède une période de premier développement au début des années 1960, celle-ci étant suivie d'un temps de ralentissement de la recherche. La redécouverte de cette technique s'est faite au début des années 1990. a - Les précurseurs En 1802, Sir Humphry Davy découvre le principe de l'électrochimie en construisant une cellule en carbone fonctionnant à haute température avec de l'acide nitrique comme électrolyte. La première cellule hydrogène-oxygène fut construite en 1839 par Sir William Grove, qui réalisa la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau en utilisant des électrodes de platine poreux et de l'acide sulfurique comme électrolyte. Cette technique fut mise en sommeil devant le développement plus rapide des générateurs thermiques et des accumulateurs et piles électriques aux environs des années 1860. En 1889, L. Mond et C. Langer apportent des perfectionnements dans la pile notamment avec l'introduction de catalyseurs (noir de platine) ou des électrolytes pouvant être contenus dans des matrices poreuses en plâtre ou en amiante. En 1921, E. Baur met en évidence l'importance de la cinétique. Il met au point une cellule fonctionnant à haute température (1000°C), avec une anode de carbone, une cathode à base d'oxyde de fer et des carbonates alcalins comme électrolytes. A la base de cette technologie, on note plusieurs avancées scientifiques et techniques concernant l'utilisation des différents matériaux comme électrolytes, notamment l'acide phosphorique au Royaume-Uni au XIXème siècle. Pendant les années 1920, des études effectuées en Allemagne ont trait aux piles à carbonates fondus et aux piles à oxydes solides. Le progrès le plus important a été effectué ensuite par Francis T. Bacon qui a remplacé l'électrolyte acide par un électrolyte alcalin. L'avantage de ce dernier est d'être moins corrosif pour les électrodes. Vers 1935, il réalise la première pile hydrogène-oxygène, qui aboutira en 1953 à la fabrication d'un premier générateur de 1 kW électrique. Cette réalisation mit en évidence les différents avantages de cette pile : fonctionnement silencieux, rendement très élevé par rapport aux autres générateurs thermiques et possibilité d'utilisation en stationnaire ou en traction. Le principe physique étant démontré, les recherches et développements se sont poursuivis dans le monde. b - Le premier développement des piles à combustible Dans les années 1950-1965, des dizaines de laboratoires et d'industriels se lancèrent dans les piles à combustible. Les premières applications ont concerné les domaines spatiaux et océanographiques. Il y eut notamment l'essai d'une pile de 20 kW par l'U.S. Navy capable de fonctionner à une profondeur de 6 000 m.
La pile à combustible a été adoptée par la N.A.S.A. pour les engins spatiaux dans les années soixante. Les premières applications spectaculaires ont été effectuées sur les véhicules spatiaux habités Gemini (1963) et Apollo (1968). Ce type de pile est d'ailleurs encore employé par la navette américaine. Dans le domaine spatial, la pile à hydrogène-air a fait la preuve de son efficacité en minimisant grâce à son haut rendement le poids des réactifs transportés. Pour ces applications le prix est secondaire. Le but est de disposer de sources électriques fiables, performantes et sans rejets de gaz toxiques. Aux Etats-Unis, Allis-Chalmers Manufacturing Company fabriqua une pile alcaline de 15 kW pour un tracteur électrique. Karl Kordesch, chez Union Carbide, réalisa une pile alcaline de 6 kW qui, associée à des batteries plomb/acide, alimenta une Austin A40 à propulsion électrique. Cette voiture, d'une autonomie de 300 km pour 2 kg d'hydrogène embarqué dans des bouteilles sous pression, a fonctionné pendant 3 ans en effectuant plus de 16 000 km. La réussite technologique de ces programmes encouragea un grand nombre de recherches, principalement aux Etats-Unis, mais aussi en Europe, sur des piles utilisant aussi bien l'hydrogène que d'autres combustibles. Les recherches sur les piles à combustible ont été très importantes en France dans les années 1960-1975. Pendant cette période, plusieurs firmes industrielles ont mené des recherches fondamentales et technologiques, aboutissant à la réalisation de prototypes de piles à méthanol et à hydrazine de 1 kW (Alstom) et de piles alcalines (A.F.C.) à hydrogène/air (Electricité de France et Institut français du pétrole). Les travaux portèrent sur le concept même de la pile, sur les membranes, sur l'amélioration du rendement, sur les différents types de piles et le développement des auxiliaires indispensables comme les pompes et les vannes. Les systèmes obtenus donnèrent toute satisfaction pour leurs applications, mais on utilisait comme seul carburant et comburant de l'hydrogène et de l'oxygène, tous deux très purs. Les premiers travaux sur l'emploi du méthanol, comme combustible embarqué, avec reformeur, sont lancés à cette période. En 1970, Du Pont met au point, pour un usage autre, la membrane Nafion, qui a permis de relancer les piles à combustible acides. Dans le même temps, les Etats-Unis ont développé les piles à potasse. Le très fort développement des recherches sur les piles à combustible dans les années 1970 résulte de la première crise du pétrole de 1973. A ce moment, les premières préoccupations environnementales font leur apparition. Une enquête des autorités fédérales américaines sur les conséquences de la forte croissance de la pollution automobile incite tous les laboratoires et les industriels américains, mais aussi européens et japonais à se lancer dans de nombreux travaux sur l'amélioration des véhicules (amélioration des moteurs à essence, véhicules hybrides et électriques...). Dans le même temps, des travaux sur l'utilisation de l'hydrogène dans les moteurs thermiques, le stockage de l'hydrogène embarqué et l'utilisation d'un combustible avec reformage se développent. Dès 1969, ces travaux bénéficient de contrats très importants et nombreux. En 1972, plus de 30 projets de recherche sont menés aux Etats-Unis sur le stockage de l'hydrogène embarqué ou sur sa fabrication embarquée. L'objectif initial n'est pas les piles à combustible, mais l'emploi de l'hydrogène dans les moteurs thermiques pour réduire la pollution. En Europe, des travaux similaires sont menés par tous les constructeurs, les laboratoires et les fabricants de carburants. En France l'Institut français du pétrole (I.F.P.), le Commissariat à l'énergie atomique (C.E.A.) et Air Liquide travaillent sur plusieurs programmes de ce type. Le premier choc pétrolier relance les travaux sur la pile. En 1973, des prototypes roulants de General Motors et Ford font leur apparition avec une pile à hydrogène et stockage d'hydrogène. Des projets de réalisations de puissantes centrales électriques (de 1 à 500 MW) utilisant des piles à combustible sont élaborés (Alstom, Exxon), mais ne se réalisent pas. On bute encore à l'époque sur des problèmes d'industrialisation, de fourniture et de stockage de carburant. Le bilan énergétique global et le prix de revient à l'usage ne sont pas encore satisfaisants. De plus, durant la période 1965-1980, les rendements des moteurs thermiques progressent et les moteurs Diesel font l'objet de nombreuses améliorations. c - Le ralentissement de la recherche A la suite du deuxième choc pétrolier de 1979, une étude sur l'évaluation des possibilités techniques et économiques du développement de la pile à combustible pour la traction fut menée en France. De très nombreuses incertitudes sur l'avenir des piles n'ont pu être levées et cette étude a conclu à la non-poursuite des programmes de recherche. En 1980, on constate l'échec des efforts pour utiliser cette technologie. Elle reste très coûteuse et la durée de vie des piles est encore très limitée. La durée de fonctionnement de ces piles était faible car les électrodes fonctionnant généralement avec un électrolyte liquide avaient tendance à se dessécher ou se noyer. Fin 1981, la plupart des équipes travaillant sur des applications des piles pour la traction chez les constructeurs, équipementiers et dans les laboratoires sont démantelées. Seules quelques personnes continuent à faire de la veille technologique. Durant ces années, deux pays continuent pourtant à travailler sur cette technologie : les Japonais sur les utilisations stationnaires et les Allemands sur les piles pour sous-marins. En France, vers le milieu des années 1980, se poursuivent quelques travaux universitaires sur les catalyseurs tandis que le C.N.E.S. réfléchissait aux applications de cette technologie dans le cadre de la préparation du programme de navette spatiale Hermès. E.D.F. et G.D.F. commencent à accorder un nouvel intérêt à cette technique : E.D.F. songe à la production d'hydrogène pour utiliser son électricité d'origine nucléaire tandis que G.D.F. souhaite vendre du gaz. A partir du début des années 1990, les préoccupations environnementales liées au développement de l'effet de serre relancent la recherche dans le domaine des piles à combustible. Cette période de redémarrage fait partie intégrante de l'histoire actuelle et sera évoquée dans le chapitre consacré à la recherche. B - Le principe Nous n'évoquerons ici que le principe général de fonctionnement d'une pile à combustible. Son organisation détaillée sera décrite au chapitre trois de cette partie. Une pile à combustible est un générateur d'électricité qui transforme directement l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique. La pile à combustible fonctionne sur le mode inverse de l'électrolyse de l'eau. Elle est constituée de deux électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte, matériau qui bloque le passage des électrons mais laisse circuler les ions. Le principe de fonctionnement est tout à fait similaire à celui d'une pile conventionnelle avec un oxydant et un réducteur séparés par un électrolyte. Dans la pile conventionnelle, l'oxydant et le réducteur sont progressivement consommés. La pile à combustible, quant à elle, fonctionne continuellement tant qu'elle est alimentée. Le comburant et le combustible sont stockés à l'extérieur de la pile. Le réducteur le plus approprié est l'hydrogène (H2) et l'oxydant est l'oxygène de l'air (O2).  Source : Michel Prigent, « Les piles à combustible : état du développement et des recherches en cours à l'aube de l'an 2000 » A l'anode (pôle négatif), l'hydrogène va se transformer en ions H+ en libérant des électrons selon la réaction : H2 → 2H+ + 2 e- A la cathode (pôle positif), les ions H+ se combinent aux ions O-- constitués à partir de l'oxygène de l'air pour former de l'eau selon la réaction : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O C'est le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode qui va produire un courant électrique continu et de l'eau à partir de l'hydrogène et de l'oxygène. La réaction globale s'écrit donc : H2 + ½ O2 → H2O + énergie électrique La production d'électrons à l'anode et leur consommation à la cathode assurent la différence de potentiel qui permet la circulation du courant lorsque la pile est alimentée en air et en hydrogène et qu'elle est placée en générateur dans un circuit électrique. La réaction est déclenchée à l'aide d'un catalyseur. Il s'agit en général d'une fine couche de platine disposée sur les électrodes. Cette pile est totalement solide. Elle comprend deux plaques bipolaires en carbone munies de canaux distributeurs qui amènent l'hydrogène et l'oxygène et assurent l'évacuation de l'eau. Les plaques assurent également les contacts électriques entre les cellules de base dans le cas d'un empilement. La membrane constitue le « c_ur de pile » et assure la fonction d'électrolyte. Elle est recouverte sur ses deux faces d'une fine couche de platine, le catalyseur. Ce générateur électrochimique utilise l'hydrogène comme réducteur, mais d'autres composés, tels que le gaz naturel ou le méthanol peuvent être utilisés. Comme dans une combustion classique, la pile à combustible utilise un combustible (hydrogène, méthane, méthanol...) et l'oxygène de l'air, mais l'énergie chimique contenue dans le combustible est directement convertie en électricité, sans passer par le stade thermique. Il n'y a également aucune pièce en mouvement. En général la tension d'une cellule est de l'ordre de 1 volt (V). Pour obtenir la quantité désirée d'électricité, il est nécessaire d'assembler plusieurs cellules en série. Le courant fourni par une pile à combustible est continu. Il est donc nécessaire de placer en aval de la pile un onduleur permettant la transformation du courant continu en courant alternatif. La majorité des piles à combustible utilisent l'hydrogène comme combustible. Comme nous le verrons plus en détail dans le dernier chapitre de ce rapport, l'hydrogène peut être soit produit in situ par un reformeur embarqué à partir d'un certain nombre de carburants, soit être contenu dans un réservoir classique. Dans ce dernier cas, l'hydrogène doit être produit dans une usine et acheminé jusqu'au réservoir. Le rendement d'une pile à combustible, sans reformage, varie selon le type de pile et peut être supérieur à 50%. Dans une pile à combustible, l'énergie non convertie en électricité est émise sous forme de chaleur et est évacuée sous forme d'eau chaude ou de vapeur. Cette perte énergétique peut-être limitée si l'on utilise la chaleur émise par la pile à des fins de cogénération, en chauffant de l'eau ou de l'air. Le rendement global va alors pouvoir atteindre 80 à 90%. La pile à combustible présente aussi l'avantage d'avoir un rendement élevé à bas régime, ce qui n'est pas le cas des moteurs à combustion interne. C- Les différentes sortes de piles Il existe cinq grandes catégories de piles à combustible. Leurs principales caractéristiques sont résumées dans le tableau suivant :
2 - Une source d'énergie aux multiples possibilités d'applications Les piles à combustible, à la différence des piles classiques dont on se débarasse lorsque la matière active est épuisée, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
