Piles à combustible contre le réseau

Pour une centrale électrique, Mohegan-2 fait une figure singulièrement peu impressionnante. Il n'y a pas de tours de refroidissement ratissant le ciel, pas de forêt de tours de transmission, pas de vastes turbines, pas de pagaies géantes tournant dans de puissantes rivières. Fondamentalement, cela ressemble à une très grande benne à ordures.

Mais lorsqu'il sera installé comme générateur de secours au casino Mohegan Sun du Connecticut, d'où il tire son nom, le Mohegan-2 bourdonnant doucement offrira une performance que n'importe quelle centrale électrique conventionnelle aurait du mal à égaler : il tirera de l'énergie de carburant sans le brûler, produisant 200 kilowatts d'électricité, de la chaleur utilisable et de l'eau d'une pureté qu'aucune source de montagne ne pourrait égaler tout en ne produisant qu'une quantité modeste de dioxyde de carbone. Le plus impressionnant de tous, au fil du temps, il peut très bien être capable de faire tout cela presque aussi bon marché et plus fiable que les centrales électriques conventionnelles.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2002

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Mohegan-2, ainsi qu'une multitude de centrales électriques similaires fonctionnant à l'hydrogène, sautant maintenant de longs efforts de recherche et de développement dans l'arène commerciale, pourraient inaugurer l'ère de la pile à combustible. Les piles à combustible, qui extraient électrochimiquement de l'énergie de l'hydrogène, sont aussi silencieuses, propres et mécaniquement simples qu'une batterie, mais aussi faciles à recharger qu'un moteur à combustion interne. Longtemps vanté par beaucoup comme le successeur inévitable des moteurs de voitures énergivores et polluants, les piles à combustible ont toujours été entravées par des coûts de fabrication élevés. Mais un nombre croissant d'entreprises sont convaincues qu'elles sont désormais sur le point de réduire les prix des piles à combustible à des niveaux où elles peuvent rivaliser avec les moteurs de voiture, du moins avec les équipements de production d'électricité conventionnels. Si le marché de telles unités décolle, ce succès pourrait très bien se répercuter sur la fabrication d'autres piles à combustible grand public pour les maisons et même les appareils individuels. L'économie de l'hydrogène qui en résulterait, où la substance la plus abondante de la nature remplace les combustibles fossiles comme élixir électrique de choix, serait finalement une économie considérablement accrue et un air considérablement plus pur.

Non pas qu'une prochaine dynastie de l'hydrogène soit une chose sûre. Outre une multitude de problèmes techniques qui restent à aplanir, il existe également des défis d'infrastructure, tels que comment mettre de l'hydrogène pur à la disposition des consommateurs et où faire entretenir les piles à combustible. Il y a même des questions fondamentales sur le potentiel commercial des piles à combustible - à savoir, le public sera-t-il prêt à abandonner les technologies familières en faveur des piles à combustible qui sont susceptibles d'avoir un prix plus élevé ? De nombreux experts pensent que oui. Après des années de recherche vraiment intense, nous ne voyons aucun obstacle que nous ne sachions pas contourner pour convertir nos systèmes énergétiques en piles à combustible à grande échelle, déclare Kenneth Stroh, qui dirige les efforts de recherche sur les piles à combustible à Los Alamos. Laboratoire national du Nouveau-Mexique. Nous avons encore des améliorations à apporter, mais si nous pouvons les obtenir, ce sera un événement qui changera la donne.

Puissance aux protons

Le rêve d'une économie de l'hydrogène est ancien. Les piles à combustible existent depuis 1839, lorsque le physicien britannique William Robert Grove a construit un appareil capable d'inverser l'électrolyse, dont la plupart d'entre nous se souviennent du premier cycle de la chimie comme le processus de division des molécules d'eau en leurs atomes d'hydrogène et d'oxygène constitutifs simplement en envoyant un léger courant électrique dans l'eau.

Dans une pile à combustible, l'hydrogène et l'oxygène sont combinés pour produire de l'eau et de l'électricité. Le composant central de la plupart des piles à combustible aujourd'hui est un électrolyte enrobé de catalyseur pris en sandwich entre deux plaques conductrices. L'hydrogène pénètre dans l'une des plaques et l'oxygène de l'air pénètre dans l'autre ; l'hydrogène pousse ensuite à travers l'électrolyte pour atteindre l'oxygène. En cours de route, le catalyseur incite les atomes d'hydrogène à abandonner leurs électrons isolés, qui sont bloqués par l'électrolyte, laissant un pool d'électrons abandonnés dans la première plaque tandis que les ions hydrogène migrent vers l'autre plaque. Le raccordement d'un fil entre les deux plaques génère un courant électrique, car les électrons traversent le fil pour se reconnecter aux ions hydrogène, moment auquel les atomes d'hydrogène reconstitués se combinent avec les atomes d'oxygène pour créer de l'eau. Le courant continuera tant que de l'hydrogène frais sera introduit dans la première plaque. Pour obtenir des puissances élevées, des ensembles de plaques peuvent être empilés ensemble.

Le pétrole bon marché et les économies du moteur à combustion interne produit en série ont conspiré pendant plus d'un siècle pour garder les piles à combustible hors de vue et de l'esprit. Mais dans les années 1970, les inquiétudes concernant la pollution de l'air et la fiabilité de l'approvisionnement en pétrole ont suscité un regain d'intérêt pour la technologie. Étant donné que les processus de pile à combustible augmentent et diminuent sans perte d'efficacité, le développement de produits s'étend aujourd'hui à tous les niveaux. Motorola, par exemple, veut mettre des piles à combustible sur des puces qui pourraient alimenter des téléphones portables qui prennent des recharges d'hydrogène de type stylo-plume (voir Une pile à combustible dans votre téléphone, ENFANTS novembre 2001) . D'autres cherchent à les utiliser pour faire fonctionner des centrales électriques suffisamment grandes pour répondre aux besoins d'une petite ville. Le gouvernement fédéral a dépensé environ 90 millions de dollars par an pour la recherche sur les piles à combustible (bien que le financement de tous les projets d'énergie alternative devrait diminuer sous le président Bush).

Mais la véritable attention dans la recherche sur les piles à combustible s'est concentrée sur les voitures. Confrontés à la pression toujours présente pour réduire les émissions polluantes et aux limitations naturelles du moteur à combustion interne, les constructeurs automobiles ont collectivement investi plus de 2 milliards de dollars dans la recherche et le développement des piles à combustible, à la fois en interne et pour soutenir des coentreprises telles que la collaboration de DaimlerChrysler avec le carburant fabricant de cellules Ballard Power Systems, de Burnaby, en Colombie-Britannique (voir Remplir avec de l'hydrogène, ENFANTS novembre / décembre 2000) . Mais les meilleures piles à combustible d'aujourd'hui, bien que brûlant plus proprement, ne sont toujours pas à portée de klaxon des moteurs les moins performants de Detroit lorsqu'il s'agit d'obtenir une bonne puissance d'un ensemble léger, bon marché et supportable. Et en plus, le moteur à combustion interne est peut-être la technologie la plus enracinée dans l'existence - outillée et rééquipée sur un siècle et demi pour atteindre les limites de performance et de fiabilité, fabriquée en quantités énormes et soutenue par une infrastructure de ravitaillement et de réparation omniprésente. Étant donné que personne ne va produire beaucoup de piles à combustible sans d'abord établir un grand marché et que l'industrie automobile n'a pas l'incitation immédiate à perfectionner la technologie, la quête des piles à combustible pour automobiles est confrontée à un échec. Les gens sont tout excités par l'économie de l'hydrogène, explique Joel Swisher, consultant au Rocky Mountain Institute à Snowmass, CO. Mais quand il s'agit de trouver comment aller d'ici à là, la réflexion s'arrête.

Au cours des deux dernières années, les fabricants de piles à combustible sont devenus convaincus qu'ils avaient trouvé un moyen de contourner ce dilemme. Leur réflexion de base est maintenant que le meilleur moyen de percer le marché automobile est de commencer par construire l'infrastructure de production de piles à combustible et les économies d'échelle nécessaires en vendant les appareils sur un marché plus petit mais moins résistant aux challengers. Ce marché, selon un consensus croissant d'experts et d'entreprises, est celui de la production d'électricité : bien que les piles à combustible coûtent environ 10 fois plus à fabriquer qu'un moteur de voiture classique, elles ne sont désormais que deux fois plus chères que les générateurs d'énergie à combustible fossile comparables. . La R&D et les investissements à grande échelle ont été du côté de l'automobile, explique Stroh de Los Alamos. Mais il est probablement vrai que les premiers produits seront du côté de la production d'électricité.

De nombreux acteurs du secteur de la fabrication de piles à combustible ont au moins en partie déplacé leur attention du domaine automobile vers le marché de la production d'électricité. Parmi eux : Ballard, qui travaille désormais à la sortie d'unités pour les applications résidentielles et nomades ; H Power à Clifton, NJ, qui prépare une unité de 4,5 kilowatts ; et Plug Power à Latham, NY, une société soutenue par General Electric qui commencera à expédier le GE HomeGen 7000 cette année. Même General Motors a annoncé son intention de sortir un produit de génération d'énergie à pile à combustible.

Une entreprise qui a incontestablement une longueur d'avance dans cette sous-industrie soudainement glamour est International Fuel Cells de South Windsor, CT. Non seulement l'entreprise développe depuis longtemps des piles à combustible destinées à des applications de production d'électricité, mais elle les commercialise en réalité depuis près de 40 ans. Dans les années 1960, la société a livré les trois piles à combustible utilisées dans le vaisseau spatial Apollo pour produire de l'électricité, et a fait de même plus tard pour les navettes spatiales. Bien que ces piles à combustible n'aient jamais eu d'application commerciale - elles reposent sur des composants plaqués or coûteux, d'une part, International Fuel Cells a tiré parti de son expérience avec eux pour concevoir une unité appelée PC25, un appareil qui génère 200 kilowatts de puissance, assez pour répondre aux besoins d'un immeuble de bureaux de taille moyenne. Au cours des six dernières années, la société a vendu plus de 220 PC25 dans 17 pays à une variété d'entreprises, d'écoles et d'agences gouvernementales qui souhaitaient remplacer, compléter ou sauvegarder l'électricité des services publics locaux.

Le composant central du PC25 a la conception en sandwich que l'on retrouve dans la plupart des piles à combustible. L'extérieur du sandwich est composé de deux plaques conductrices criblées de canaux d'entrée et de sortie des gaz. Entre les plaques se trouve un électrolyte efficace pour conduire les protons ; l'électrolyte est entouré d'un catalyseur à base de platine.

Le processus de production d'électricité dans le PC25 commence lorsque le gaz naturel est acheminé via une connexion de service public de gaz standard dans le reformeur de carburant de l'unité, qui est essentiellement une mini usine chimique qui fait appel à une petite série de processus thermiques pour convertir le gaz naturel, le méthane ou même l'essence en hydrogène, avec du dioxyde de carbone restant. Après la conversion, l'hydrogène gazeux est tiré à travers les canaux de l'une des plaques et en contact avec l'électrolyte revêtu de catalyseur, où le catalyseur retire les électrons des atomes d'hydrogène.

Une fois que les électrons ont atteint la deuxième plaque et se sont reconnectés avec les protons, les atomes d'hydrogène reconstitués se combinent avec les atomes d'oxygène de l'air pour créer de l'eau, aidés par le catalyseur. Une partie de l'eau est absorbée par l'électrolyte, qui ne fonctionnera pas s'il sèche ; le reste de l'eau est acheminé vers un réservoir, où il peut être évacué. Chaque sandwich, ou cellule, du PC25 produit moins d'un kilowatt de puissance ; pour atteindre sa pleine puissance de 200 kilowatts, un PC25 utilise une pile de 272 de ces cellules.

Lorsqu'il est utilisé comme alimentation de secours, le PC25 reste généralement en fonctionnement constant, produisant de l'énergie électrique qui est dirigée vers le réseau électrique du service public (pour lequel le propriétaire du PC25 reçoit normalement un crédit) ; si le courant s'estompe ou se coupe, un interrupteur électrique redirige la sortie du PC25 du réseau vers l'installation locale en une fraction de seconde, gardant l'installation au courant de l'alimentation.

Pourquoi quelqu'un voudrait-il passer des sources d'énergie électrique conventionnelles à une pile à combustible comme la PC25 ? On pourrait supposer que la plus grande vertu d'une pile à combustible est qu'elle élimine le besoin de combustible fossile, actuellement la source d'environ les deux tiers de l'énergie électrique américaine. Considérant que l'hydrogène représente environ les deux tiers de tous les atomes qui constituent notre planète, pouvoir l'exploiter comme source d'énergie semble presque trop beau pour être vrai.

Il est. Le problème est simple : l'hydrogène est peut-être tout autour de nous, mais il est chimiquement enfermé dans l'eau et d'autres molécules. Il s'avère que la seule source pratique d'hydrogène disponible actuellement est la même sur laquelle nous comptons depuis longtemps : les hydrocarbures riches en hydrogène, ce qui, en pratique, signifie les combustibles fossiles. Pour extraire l'hydrogène, les reformeurs de carburant eux-mêmes doivent être alimentés.

De toute évidence, devoir faire fonctionner des piles à combustible avec des combustibles fossiles - et les chauffer et les refroidir - réduit certains de leurs avantages par rapport aux centrales électriques conventionnelles telles que celles utilisant des turbines à gaz naturel ou des fours à charbon. Mais cela n'élimine pas cet avantage. Même lorsqu'elles sont encombrées de reformeurs alimentés au gaz naturel, les piles à combustible ne produisent aucune émission autre que du dioxyde de carbone. Certes, le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre ; mais parce que les piles à combustible sont plus efficaces que les centrales à combustible, elles en produisent beaucoup moins.

Cette efficacité est la clé de la vente de générateurs à pile à combustible. Le PC25 fonctionne à un rendement d'environ 40 %, ce qui signifie que près de la moitié de l'énergie qu'il absorbe est convertie en électricité, le reste étant perdu sous forme de chaleur. En comparaison, les turbines à gaz de 250 kilowatts que les organisations achètent normalement comme alternatives ou compléments à l'électricité des services publics fonctionnent à environ 30 pour cent d'efficacité. (voir Pouvoir au peuple , ENFANTS mai 2001) . L'avantage d'efficacité du PC25 se traduit par une économie d'environ 30 % sur les coûts de carburant. L'avantage est élargi pour les clients qui peuvent utiliser la chaleur résiduelle d'une pile à combustible, dont une grande partie est facilement captée à partir de l'air pur et de l'eau extraite de la pile ; la chaleur des turbines, en comparaison, est généralement liée aux émissions nocives.

Malheureusement, pour la plupart des utilisateurs expérimentés, cet avantage est anéanti par le prix d'achat plus élevé des piles à combustible. Une configuration PC25 typique comprenant une banque de quatre unités de 800 kilowatts coûte près de 4 millions de dollars, contre moins de 2 millions de dollars pour un générateur à turbine à gaz comparable. Mais James Bolch, responsable de la fabrication d'International Fuel Cells, pense qu'il peut faire en sorte que les coûts de production de la prochaine génération de piles à combustible de l'entreprise atteignent des niveaux compétitifs. Pour commencer, la société abandonne sa conception de cellule actuelle, avec son électrolyte à l'acide phosphorique, et passe à une cellule dont l'électrolyte est une fine membrane en plastique, qui devient une norme de l'industrie car elle est moins chère à produire. En outre, la société explore de nouvelles techniques pour appliquer le catalyseur à base de platine à 20 $ le gramme en couches plus minces sans sacrifier les performances, ainsi que des conceptions de plaques qui augmentent l'efficacité en acheminant plus efficacement l'hydrogène vers la membrane et en évacuant les eaux résiduelles.

Bien entendu, International Fuel Cells doit d'abord augmenter son volume avant de pouvoir commencer à profiter de ces opportunités. Pour ce faire, la société s'est concentrée sur les clients potentiels qui pourraient être prêts à payer un prix plus élevé afin de profiter des avantages de la pile à combustible. Ces clients incluent ceux qui ont besoin d'une source d'énergie particulièrement fiable - ou simplement de plus d'énergie que ce que l'on peut obtenir du réseau de distribution - ainsi que de la chaleur, et qui ne veulent pas vivre avec les émissions d'une turbine à gaz. Il existe des applications pour lesquelles payer 4 500 $ par kilowatt de capacité est une bonne affaire, insiste Guy Hatch, directeur des activités résidentielles de l'entreprise.

Il s'avère qu'il existe de nombreux clients potentiels de ce type. Les centres de données, par exemple, nécessitent une source d'électricité constante et stable et utilisent généralement un générateur local pour soit lisser l'alimentation du réseau, soit la sauvegarder en cas de panne. La First National Bank of Omaha dans le Nebraska a installé un ensemble de PC25 après qu'une panne a mis en panne son réseau de vérification de carte de crédit, ce qui a coûté à un seul de ses clients, The Gap, 6 millions de dollars de ventes. Et il n'y a pas que les ordinateurs qui ont besoin d'une alimentation fiable : la principale installation du service postal américain à Anchorage, AK, a décidé de se retirer du réseau en faveur des PC25 lorsque des baisses de tension répétées d'une fraction de seconde seulement ont provoqué le blocage de son équipement de tri. Lors de la cérémonie d'inauguration du nouvel équipement, une panne d'électricité a laissé la région environnante dans l'obscurité tandis que l'installation est restée pleinement opérationnelle ; les dignitaires présents ont dû assurer aux observateurs qu'il ne s'agissait pas d'une manifestation planifiée. Même les sites au cœur des grandes villes peuvent trouver l'alimentation électrique indisponible parce que les câbles existants ont presque atteint leur maximum de capacité à apporter plus d'électricité. New York est l'une de ces villes ; les insuffisances de puissance ont incité le poste de police de Central Park à installer un PC25 au lieu de gâcher le cadre bucolique avec le gémissement et les fumées d'une turbine à gaz traditionnelle. Le bâtiment Cond Nast à Times Square exploite un PC25 au quatrième étage.

La capacité à exploiter la chaleur résiduelle du groupe électrogène à pile à combustible est le facteur qui fait que les chiffres fonctionnent pour certains acheteurs. En plus d'aider à réchauffer les bâtiments en hiver, la chaleur peut, pendant les mois les plus chauds, entraîner un type de climatiseur appelé refroidisseur à absorption. First National estime une économie annuelle de 200 000 $ en coûts de chauffage et utilise même l'eau chaude sortant de la pile à combustible pour faire fondre la glace et la neige sur la place de son siège social. Une forte réduction potentielle des factures de chauffage et de climatisation des maisons est l'une des raisons pour lesquelles International Fuel Cells, ainsi que Ballard, H Power et d'autres rivaux, pensent qu'il peut amener les propriétaires haut de gamme et soucieux de l'environnement à choisir des unités d'environ cinq kilowatts et que pourrait éventuellement se vendre pour aussi peu que 5 000 $ environ, bien que les premières unités soient susceptibles de coûter quatre fois plus cher. Nous avons parlé à un propriétaire qui envisageait de dépenser 50 000 $ pour des panneaux solaires, dit Hatch d'International Fuel Cells, qui pense que 20 000 $ pour une pile à combustible ne semble pas si scandaleux dans ce contexte.

Jusqu'où ces mini centrales électriques peuvent-elles évoluer ? Au moins une entreprise espère produire des générateurs à pile à combustible dont les prix concurrencent non seulement les petits générateurs à turbine à gaz, mais aussi les gros générateurs employés par les services publics. FuelCell Energy de Danbury, CT, a évité les électrolytes solides employés par pratiquement tous les autres fabricants de piles à combustible en faveur d'un carbonate fondu. Le matériau remplit à peu près la même fonction de conduction des protons de la plaque chargée négativement à la plaque chargée positivement tout en repoussant les électrons. Mais il permet un procédé plus simple de reformage de l'hydrogène, ce qui constitue un gros avantage technique en matière de production de masse. En conséquence, FuelCell pense pouvoir produire des unités qui produisent jusqu'à trois mégawatts de puissance et fonctionnent à près de 80 % d'efficacité. C'est mieux que même la plus grande centrale de production d'électricité peut réaliser. De plus, l'électricité peut être produite dans le parking de l'entreprise consommatrice, au lieu de parcourir des kilomètres de lignes électriques coûteuses à installer et à entretenir. Les services publics peuvent produire de l'électricité à moindre coût, déclare Jerry Leitman, PDG de FuelCell Energy. Mais l'essentiel du coût réside dans sa distribution et sa transmission.

De l'hydrogène pour les masses

Même si les générateurs à pile à combustible deviennent de plus en plus puissants et efficaces, presque tout le monde sur le terrain considère leur développement davantage comme un moyen d'accéder au marché potentiellement énorme des voitures à pile à combustible que comme une base pour le réseau électrique de prochaine génération. En termes de technologie de base, la transition serait assez simple : les mêmes membranes en sandwich qui alimentent les produits des générateurs électriques peuvent être placées dans des piles plus petites et relativement légères capables de fournir les 50 kilowatts environ nécessaires pour alimenter un voiture équipée d'un moteur électrique en se logeant dans un coffre ou sous une banquette arrière. Malgré son intérêt de longue date pour la production d'électricité, International Fuel Cells, pour sa part, est tout à fait ouvert à l'idée d'utiliser le domaine comme tremplin vers le marché automobile convoité. Le transport est évidemment une cible attrayante, et les applications de production d'électricité font partie du chemin, explique le responsable de la fabrication Bolch. La société a déjà travaillé avec BMW pour produire une voiture fonctionnant en partie à partir de piles à combustible, et avec Hyundai pour développer une voiture entièrement alimentée par pile à combustible - et elle prétend être en pourparlers avec au moins quatre autres grands constructeurs automobiles. Elle a également conclu des accords avec Thor, l'un des principaux fabricants de navettes en Amérique du Nord, et Irisbus, un important producteur européen d'autobus.

Cependant, les voitures à pile à combustible commercialement viables restent dans des années et peuvent prendre des décennies sans une percée dans la bataille pour réduire les coûts. À l'heure actuelle, dit Stroh, même les économies de production de masse ne permettraient pas aux piles à combustible de s'approcher du prix des moteurs à combustion interne, qui se vendent environ 50 $ le kilowatt de capacité de production d'électricité, battant les piles à combustible d'un facteur d'environ cent. Le coût des matériaux à eux seuls les rendrait beaucoup trop chers, dit Stroh.

C'est peut-être la raison pour laquelle certains experts pensent que les marchés de la production d'électricité à base de piles à combustible et des voitures seront finalement fortement liés, avec des générateurs et des voitures alimentés à partir des mêmes sources. Swisher du Rocky Mountain Institute envisage un scénario dans lequel les employés de sites industriels équipés de générateurs à pile à combustible rempliront leurs voitures à pile à combustible d'hydrogène pendant qu'ils sont au travail et même utiliseront leurs voitures garées comme générateurs d'électricité supplémentaires. La capacité d'interconnecter les installations de piles à combustible serait un catalyseur sur le marché, dit-il, menant finalement à des applications similaires pour les propriétaires.

Le résultat ultime ? En regardant plus loin, il n'est pas difficile d'évoquer des images d'une économie de l'hydrogène à part entière, dans laquelle les piles à combustible alimentent tout, des ordinateurs portables aux avions et aux vélos ; en effet, des versions expérimentales des trois sont déjà en cours de développement. De plus, si chaque foyer, entreprise et communauté exploite des piles à combustible génératrices d'électricité, il pourrait alors être judicieux de les relier tous ensemble dans un réseau électrique national massif, peut-être contrôlé via Internet, afin que l'énergie excédentaire à n'importe quel endroit puisse être spontanément transférés vers les endroits en pénurie.

Bien sûr, comme le souligne Stroh, même si aucun obstacle à une économie de l'hydrogène ne semble techniquement insurmontable, d'innombrables plus petits doivent encore être surmontés. Mais étant donné que l'hydrogène représente 75 pour cent de toute la matière connue et est le carburant des étoiles, peut-être que l'univers essaie de nous dire quelque chose.

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