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Les piles à combustible

Note complémentaire de la page énergie

  Diodes

Maj : 27/12/09

Principe des piles à combustible
Technologie des piles à combustible
Devenir des piles à combustible
Les solutions concrètes du moment
Automobile et électrique
Liens diodes

 

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 élémentaire, 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 à ce jour. Ce sera une révolution qui marquera le remplacement inévitable des moteurs thermiques par l'électrique pour une énergie hybride plus propre.
Une cellule est formée par deux chambres séparées par une membrane. L'hydrogène est injecté d'un coté, il traverse la membrane pour se combiner à l'oxygène en produisant de l'eau et des électrons créant un potentiel de 0.7 V par cellule. Ces cellules sont mises en série pour produire quelques dizaines de volts.

 

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.

Le stockage direct, sous forme d’hydrogène liquide à très basse température, ou comprimé en bouteilles haute pression ne semble pas réaliste pour le grand public. L'autre approche est de le créer en partant de méthanol et d'un catalyseur platine. Ce carburant est un alcool primaire qui se manipule aussi facilement que l'essence et son absence totale de pollution promet un très bel avenir à cette technologie. D'autres solutions technologiques originales se profilent, en particulier en utilisant du propane, le problème du stockage de l’hydrogène ne sera pas bloquant à moyen terme.

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 évidement la solution énergétique de l’avenir, mais elle implique une politique nucléaire responsable.

Les 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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Devenir des piles à combustible

Suivez l'actualité automobile, quand plus de 10 % du parc occidental sera équipé de piles à combustible, il suffira d'attendre 15 ans pour les voir sur nos bateaux.
Même remarque sur les remplaçants de nos démarreurs et alternateurs. Voir entre autres le magnifique projet "Dynalto " chez Citroën, nous attendons cette révolution avec impatience la sortie de la Xsara Dynalto, en collaboration avec ISAD systems. Quel bonheur de pouvoir bientôt (?) disposer à bord du 220 volts et de la basse tension sous cinq kilowatts, sans la moindre courroie ni usure…
PSA a enfin introduit très timidement en 11/2004 avec Valeo le « Stop and Start » sur la Citroën C3, grâce à la réalisation d’un excellent combiné démarreur alternateur. Cette remarquable initiative sera reprise par tous les constructeurs. Sur nos bateaux un tel matériel fournirait une puissance considérable pour charger un gros parc de batteries.
Renault a aussi de jolis projets d'hybrides dans ses cartons, les Japonais commencent à en commercialiser.

 

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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 à toutefois des cotés 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 espèrerait 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’€uros 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 l’automobile s’intéressera aux piles à combustibles, 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.
Aucune pile de cette taille n’est réalisable.
Si l’on voulait utiliser des piles Efoy 600 (2 A sous 12 V), il faudrait en mettre 3000 en parallèle, cela montre l’absurdité d’un tel raisonnement.
Il faudra se tourner vers d’autres solutions, les piles restant cantonnées aux petites énergies.
Les mentalités vont évoluer, aller chercher les enfants à l’école avec un gros 4*4 est une absurdité pour gros blaireau, un petit véhicule urbain hybride consommant et polluant beaucoup moins sera la solution raisonnable.

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 dépassera le un pour mille, alors il faudra taxer pour compenser la perte de la taxe pétrolière (TIPP).
Le matériel est déjà prêt à être mis en service. Le parc à batteries passera par un shunt plombé afin d’empêcher toute charge sauvage. Un coulombmètre intégré à l’ordinateur de pilotage de l’énergie mesurera les énergies entrantes et sortantes. La charge se fera bien par le secteur, mais au travers du chargeur intégré qui possèdera un lecteur de carte à puce. Les cartes d’énergie prépayées seront en vente dans les stations service, et le kW électrique sera taxé comme celui des énergies fossiles.
Les petits malins se disent déjà, je vais bricoler cela vite fait pour charger à l’œil, n’y comptez pas, le système sera très sécurisé.
Personne n’est pressé pour introduire des solutions électriques, cela commencera quand le prix au litre des carburants aura dépassé les 4 Euros, mais c’est pour bientôt.

 

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Note complémentaire de la page énergie

Liens piles à combustible

Les liens spécifiques sont innombrables et changent souvent.
Cherchez dans Google « pile combustible » et mieux encore dans les pages anglo-saxonnes « fuel cell »

Cherchez aussi : " truma pile propane"

.Les liens énergie, batteries, diodes, alternateurs étant très liés, tout est regroupé dans une seule page: Liens énergie

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