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Les piles à combustible

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Maj : 17/10/20

Principe des piles à combustible
Technologie des piles à combustible
Devenir des piles à combustible
Les solutions concrètes du moment
Automobile et électrique
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Cette page est un complément de la page L'énergie du bord , mise à jour est simplifiée de mon ancien site Voilelec qui n’est plus maintenu.

 

Principe des piles à combustible

Cette modeste page n’a pour but que de présenter sommairement un matériel de haute technologie qui débarque dans notre univers d’utilisateurs béotiens.
Le principe est simple, processus de combustion d’un carburant, l’hydrogène, et d’un comburant, l’oxygène (de l'air).
Cette combustion produit un déséquilibre électrique, des membranes microporeuses laissent passer les ions dans un sens en bloquant les électrons. Il y a production d’énergie électrique et accessoirement d’eau et de chaleur.
Pour en voir les détails subtils, consultez les innombrables sites détaillant ce sujet.

Cette technologie est en phase ascendante. Ce sera le produit de l’avenir sur les bateaux et les véhicules de loisir en complément des énergies douces

Annexe pile à combustible

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Technologie des piles à combustible

Les technologies de piles à combustibles émergent. La pile à combustible est une promesse très intéressante, mais elle n'est pas encore disponible en production automobile massive à ce jour. Ce sera une révolution qui marquera le remplacement inévitable des moteurs thermiques par l'électrique pour une énergie hybride plus propre. Nous sommes au début des piles à hydrogène qui révolutionneront la voiture électrique car le plein peut être fait aussi vite qu’avec un carburant fossile  alors que la charge d’une batterie est très longue.

Le stockage de l'hydrogène

La technologie des piles et moteurs est déjà très avancée, mais pour le moment, un problème subsiste et bloque le déploiement en masse de ces technologies pour le grand public, on ne sait pas stocker la source d’énergie (sécurité, coûts, volume et poids…).
Il y a deux approches aux résultats équivalents :
Stocker de l'hydrogène, comme carburant de la pile.
Stocker de l’électricité pour utilisation directe dans les moteurs, mais les batteries actuelles sont très loin des performances souhaitées.

Aucune autre forme de stockage d’énergie non fossile ne semble possible pour un usage grand public, la première cible étant l’énorme marché automobile.
Les pétroliers ne font rien pour accélérer la recherche, il reste encore beaucoup de carburant fossile à vendre et la pollution que l’on donne en héritage aux nouvelles générations n'est pas un problème qui les angoisse.

Les batteries posent un problème tout différent, l’évolution se poursuit mais elle est très lente, il reste un énorme chemin à parcourir pour offrir une alternative au réservoir d’essence ou de gazole.

 

La production d’hydrogène

Brûler de l’hydrogène dans un moteur ou une pile est la solution écologique d'avenir parfaite, à pollution nulle. Hormis le problème évoqué du stockage, reste le problème de la production.
L’électrolyse est le seul moyen pratique pour produire de l’hydrogène. Le rendement électrique final est de l’ordre de 25 %, la recherche annonce une future électrolyse à haute température (EHT) qui devrait atteindre un rendement plafond de 50 % à moyen terme. L’électricité nécessaire ne peut raisonnablement pas provenir de la combustion des énergies fossiles, mais seulement de la production nucléaire. L’hydrogène sera évidemment la solution énergétique de l’avenir, mais elle implique une politique nucléaire responsable.

Les petites piles grand public fonctionnent aujourd’hui au méthanol, solution intermédiaire pour extraire l’hydrogène que l’on ne sait pas stocker. Ce n’est qu’un pis-aller, à faible rendement et coût d’achat et d’entretien encore trop élevé. Il faut une très grande pureté du carburant pour ne pas détruite les membranes très fragiles, tout cela constitue un handicap considérable.
Le marché va s’ouvrir vers des alimentations plus réalistes à partir de la bouteille de gaz ou du réservoir de gazole. Le déploiement grand public est à l’horizon de quelques années.

Les modèles à hydrogène sont plus performants et ne rejettent que de l’eau, mais la manipulation de l’hydrogène n’est pas envisageable pour le grand public. Avec du méthanol on rejette aussi du CO2, c’est moins propre mais plus facile à manipuler : 2 CH3OH + 3 O2 = 2 CO2 + 4 H2O

Annexe pile à combustible

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Les solutions concrètes du moment

Le constructeur EFOY domine aujourd’hui le marché grand public. La gamme va de 600 à 1600, le chiffre représentant l’énergie fournie en 24h.
Ce matériel est bien adapté à l’univers du camping-car, mais moins à celui de la voile car les besoins en énergie sont plus importants et couverts par d’autres solutions.
Le chiffre donné n’est pas très clair pour le grand public, il s’agit de watt*heures.
Par exemple la pile 600, peut fournir 1.7 ampères sous 14 volts
Pour retrouver les 600, il faut multiplier par les 24 heures : 1.7 Amp *14 Volts * 24 heures = 600 W*h

Les avantages

L’ensemble est petit, très propre car ne générant que de l’eau du CO2 et de la chaleur. Le fonctionnement est silencieux, le seul bruit étant celui du ventilateur, comme pour un PC portable.

 La production est continue, bref c’est un vrai bonheur.

Les inconvénients

Ce tableau idyllique a toutefois des côtés plus sombres.
Le prix d’achat du matériel est très élevé.
Le coût de fonctionnement est considérable, le méthanol, produit toxique, doit être très pur pour ne pas détruire les membranes, il est vendu très cher.
Les membranes sont très fragiles et la durée de vie de l’ensemble sera courte, le kW produit sera donc très cher.
Une pile produit peu de courant une 600 Wh ne produit que moins de 2 ampères, ce qui correspond à la consommation de deux ampoules de 10 W seulement ou le tiers de ce que consomme un PC portable.
 Il est évident qu’il faut réduire au maximum les appareils énergétivores et en particulier bannir toute ampoule à filament pour passer à des technologies led ou néon. En autonome, les grandes illuminations sont à bannir.

Bilan d’utilisation 

La consommation est de 1.1 litre de méthanol par kW produit. Donc, pour recharger une batterie de 100 Ah à moitié vide, il faudra fournir plus de 60 Ah (le rendement n’est pas de 100% !), pour en restituer 50 Ah si la batterie est neuve.
Avec un courant de 2 A, il faudra 30 heures de charge, l’énergie fournie sera de 15 V * 2 A * 30 h soit 900 Wh, ce qui correspond à une consommation d’un litre de méthanol.
En prenant un prix de 35 € le bidon de 5l, la charge d’une batterie à demi vide nous coûtera donc 7 € de carburant.
Le prix réel de la charge est toutefois bien différent car il faut tenir compte de la durée de vie de la pile.
Si l’on considère que la pile aura une durée de vie moyenne de 3000 heures, ce qu’un utilisateur très soigneux espérerait atteindre, cela correspondrait à une centaine de charges possibles.
Le prix réel de la charge sera donc de l’ordre de 2400/100 = 24 € d’amortissement plus 7 € de carburant, c'est-à-dire un peu plus de 30 Euros la charge (batterie à moitié vide).

Les retours d’expérience nous montreront si des utilisateurs ont pu atteindre la centaine de cycles, ce qui s’avère très ambitieux.

Quel volume de méthanol stocker à bord ?

Le méthanol a l’avantage de ne pas sentir mauvais comme l’essence, une pile n’empeste pas la soute comme le fait un générateur à essence.
Hors les problèmes de coût, un problème se pose, combien de litres doit-on stocker dans la soute ?
Il n’est pas possible de trouver du méthanol très pur partout, ce n’est pas comme pour le gazole, et le baroudeur se trouvera vite à court. Il devra donc avoir à bord le nombre de bidons nécessaires pour assurer son autonomie, mais cela peut être très volumineux et encombrant.  

 

FAQ

Question naïve qui m’a été posée : Peut-on se chauffer avec la pile à combustible ?
Non car il y a une grande différence d’échelle entre les besoins de chauffage et la production d’une pile. Pour chauffer le volume d’un camping-car ou d’un petit voilier, un radiateur soufflant de 2 kWatts est nécessaire.
Une pile produit quelques dizaines de watts pour quelques milliers d’€ d’investissement, sans parler des consommables.
Il faudrait donc mettre en parallèle cent piles de vingt watts pour alimenter le chauffage.
Vous voyez la différence d’échelles et le budget exorbitant en investissement, volume et coûts du méthanol…

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La solution idéale à court terme : Pile au propane

Une solution beaucoup plus intéressante est annoncée par Truma, mais seulement en phase d'introduction pour le moment.

La concurrence aidant, le prix deviendra accessible dans quelques années, ce qui en fera un produit très incontournable quand elle sera fiabilisée.

La puissance est de 250 W soit 20 A sous 12 V, ce qui est parfait pour charger deux batteries.
La consommation annoncée est de 90 grammes / heure, une bouteille de gaz donnera un temps de fonctionnement continu de l'ordre de 5 jours.
Comme en pratique elle ne sera sollicitée que par tranches de quelques heures quand la batterie est épuisée après un long stationnement, cette consommation peut être considérée du même ordre que celle d'un réfrigérateur que l'on estime à 300 grammes par jour.
Cette solution s'avère meilleure que celle de panneaux solaires.

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L’automobile et l’électrique

Il est évident que quand les piles à combustibles à hydrogène se développeront pour l’automobile les prix s’écrouleront, mais il y a deux problèmes fondamentaux.

La puissance

Un moteur automobile demande une énorme énergie, de l’ordre de 100 Chevaux Vapeur.
1 CV = 736 Watts, la pile devra donc fournir de l’ordre de 70 kW.
Cette valeur est irréaliste, P=VI, environ 6000 ampères sous 12 volts, ce qui est une pure folie (mais la tension de service sera beaucoup plus élevée).
Aucune pile de cette puissance ne semblait réalisable, et pourtant les premières voitures expérimentales à hydrogène commencent à sortir…
Si l’on voulait utiliser des piles Efoy 600 (2 A sous 12 V) à méthanol, il faudrait en mettre 3000 en parallèle, cela montre les progrès restant à accomplir pour les retombées grand public.
Les mentalités vont évoluer, aller chercher les enfants à l’école avec un gros 4*4 pour faire 500 mètres est une absurdité pour gros blaireau, un petit véhicule urbain hybride consommant et polluant beaucoup moins sera la solution raisonnable pour les parcours indispensables.

La taxation

L’état tire des taxes sur le pétrole une énorme source de revenus.
Si l’automobile basculait vers l’électrique, un plein de batteries sur la prise secteur de la maison permettrait de rouler une centaine de kilomètres par Euro au prix actuel du nucléaire.
Si l’on considère qu’un tel équipement ne concerne que quelques farfelus, moins d’un pour mille de la population nationale, il est inutile de s’en préoccuper, c’est du même ordre que ceux qui font rouler leur vieux diesel aux huiles de friture, il y a d’autres chats à fouetter.
Quand l’utilisation de l’électrique deviendra conséquente, alors il faudra taxer pour compenser la perte de la taxe pétrolière (TIPP).
Toutefois les choses changent très vite et les normes anti-pollution se durcissent constamment, certains grands escrocs, incapables de respecter les nouvelles normes, ont tenté de tricher, mais cela fini par se voir quand c’est trop gros. Tous les constructeurs passent peu à peu à l’hybride et à l’électrique, cela diminuera la pollution des villes, mais pas celle générée par la production d’électricité sale au charbon avec l’abandon du nucléaire. Les énergies douces seront toujours marginales et elles aussi sources de pollution indirecte.

Pour l’hydrogène c’est très simple, il sera distribué dans les stations comme les autres carburants et sera taxé à l’identique.

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