Pile à combustible : les dernières avancées qui changent la donne !
Bien que la technologie des piles à combustible soit désormais mature, ayant prouvé son efficacité dans l’aérospatiale depuis plus de 50 ans, elle demeure en perpétuelle mouvance. Ses récentes améliorations se concentrent sur ses performances, sa durabilité et la réduction des coûts de production. Comme en témoignent les dernières applications, son potentiel est immense, et nous n’en sommes qu’au début !
La France, leader européen des piles à combustible à hydrogène
La France renforce sa position de leader européen des piles à combustible avec l’ouverture imminente de la première usine mondiale dédiée aux piles de plus d’un mégawatt. Cette méga-usine du groupe HDF Energy (Hydrogène de France), inaugurée en Gironde le 30 mai dernier, devrait être pleinement opérationnelle entre 2025 et 2026.
Cependant, ce projet n’est pas le seul de grande envergure en France. On peut également mentionner :
• La gigafactory de Symbio à Saint-Fons (près de Lyon), avec une capacité de production de 16 000 piles à combustible, et un objectif de 50 000 unités par an d’ici 2026 ;
• La première usine française d’électrolyseurs de McPhy à Belfort, inaugurée le 13 juin 2024, partiellement opérationnelle dès 2025, avec une production prévue de 260 unités par an ;
• La station de production d’hydrogène vert H2 Créteil, qui produira 1 tonne d’hydrogène renouvelable par jour dès 2025, avec l’ambition d’atteindre 2 tonnes à terme ;
• Le projet de stockage et de production d’énergie à hydrogène de Lhyfe à Nantes, conçu pour produire jusqu’à 85 tonnes d’hydrogène vert par jour afin de décarboner la zone portuaire, avec une mise en service prévue pour 2028.
Sur les 41 projets d’hydrogène soutenus par l’Union européenne, 10 proviennent de France. De plus, les 3 premiers instituts de recherche mondiaux en hydrogène sont le CEA, l’IFPEN et le CNRS. (1)
Bon à savoir
L’hydrogène a largement contribué à la logistique des Jeux olympiques de Paris 2024. Des véhicules utilitaires à hydrogène ont été utilisés pour le transport de marchandises, et des infrastructures énergétiques propres ont permis de gérer efficacement les besoins de l’événement sportif.
Les avancées de cette technologie verte dans le monde
Partout dans le monde, les progrès liés aux piles à combustible et l’hydrogène vert s’intensifient. Aux États-Unis, d’importants investissements ont été alloués pour produire 10 millions de tonnes d’hydrogène renouvelable par an d’ici 2030, 20 millions d’ici 2040 et jusqu’à 50 millions en 2050. En Asie, la Chine produit près de la moitié des électrolyseurs mondiaux. En Europe, l’Allemagne souhaite doubler ses objectifs de production d’hydrogène vert, passant de 5 à 10 GW d’ici 2030.
Cette dynamique se retrouve également dans de nombreux autres pays, comme le Japon, la Corée du Sud, l’Inde, l’Australie, l’Espagne ou encore le Danemark.
Qu’est-ce qu’une pile à combustible ? Une explication simple
La pile à combustible convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité décarbonée. Oui, mais concrètement comment cela fonctionne-t-il ? Explorez les rouages de cette technologie.
De l’hydrogène vert à l’électricité : comment ça marche ?
Pour comprendre comment l’hydrogène vert est transformé en électricité grâce à la pile à combustible, il est nécessaire de saisir comment il est lui-même produit. Décryptage
Production de l’hydrogène vert avec un électrolyseur
Bien qu’il soit l’élément le plus abondant de l’univers, l’hydrogène n’existe pas à l’état pur dans la nature. Il est en effet toujours associé à d’autres éléments. Pour l’extraire, il faut donc les séparer. L’une des méthodes les plus courantes pour y parvenir est l’électrolyse de l’eau. Ce procédé utilise un courant électrique pour diviser l’eau (H2O) en une molécule d’oxygène (O2) et en une molécule de dihydrogène (H2), composée de 2 atomes d’hydrogène (H).
L’électrolyseur à eau est l’appareil qui permet d’effectuer cette opération. Il est équipé de 2 électrodes : 1 anode (positive) et 1 cathode (négative), séparées par une membrane. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, les molécules d’eau à l’anode se décomposent en ions d’hydrogène et d’oxygène. La membrane, conçue pour ne laisser passer que les ions positifs (protons), bloque les électrons, les forçant à emprunter un circuit externe. Les protons se dirigent alors vers la cathode où ils se combinent avec les électrons provenant du courant électrique, et forment du dihydrogène. Simultanément, à l’anode, les atomes d’oxygène s’assemblent par paires pour former des molécules de dioxygène.
Bon à savoir
Pour que l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau soit véritablement considéré comme « vert », l’électricité doit provenir d’une source renouvelable, comme les panneaux solaires, les éoliennes ou les centrales hydroélectriques.
Conversion de l’hydrogène vert en électricité
L’hydrogène vert est utilisé dans une pile à combustible pour générer de l’électricité, selon un principe similaire à l’électrolyse, mais inversé ! Dans ce système, l’hydrogène est injecté à l’anode, où il se dissocie en protons et en électrons. Les électrons, ne pouvant pas circuler dans la membrane, sont forcés de passer par un circuit externe conducteur, ce qui crée un courant électrique.
Pendant ce temps, les protons de l’hydrogène rejoignent la cathode, où ils s’associent avec l’oxygène de l’air pour former de l’eau (H2O). Cette réaction électrochimique génère également des pertes sous forme de chaleur qu’il est possible de réutiliser pour du chauffage ou de l’électricité.
Les autres méthodes de production d’hydrogène vert
L’électrolyse de l’eau n’est pas la seule méthode pour produire de l’hydrogène vert. D’autres techniques existent également, comme :
• La photocatalyse, qui utilise la lumière solaire pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène, à l’aide de catalyseurs spécifiques ;
• La thermolyse à haute température, qui réalise la même opération, mais en exploitant la forte chaleur de réacteurs nucléaires ou solaires ;
• Le reformage de biogaz, qui convertit le biogaz issu de déchets organiques en hydrogène par un procédé chimique, tout en capturant et stockant le CO2 pour réduire les émissions ;
• La gazéification, qui transforme la biomasse (comme les déchets agricoles ou le bois) en hydrogène en la chauffant avec une quantité précise d’oxygène.
Les différents types de piles à combustible
Il existe plusieurs types de piles à combustible, chacune ayant des caractéristiques uniques adaptées à différentes utilisations :
• Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui fonctionnent à basse température et sont donc idéales pour les véhicules à hydrogène ;
• Piles à combustible à oxyde solide (SOFC), utiles pour la production d’électricité dans des bâtiments résidentiels ou tertiaires, ou pour des centrales électriques. Elles émettent également de la chaleur à haute température, récupérable pour le chauffage ;
• Piles à combustible alcalines (AFC), qui se prédestinent plutôt à des environnements spécifiques, comme l’aérospatiale ;
• Piles à combustible à acide phosphorique (PAFC), qui fournissent de l’électricité et de la chaleur pour des applications stationnaires de taille moyenne, telles que des bâtiments commerciaux, des data centers ou des hôpitaux ;
• Piles à combustible à carbonate fondu (MCFC), qui conviennent aux installations de production d’électricité de forte puissance, comme les centrales électriques ou à cogénération. Elles peuvent utiliser du gaz naturel ou du biogaz comme source d’énergie. En outre, elles ont la capacité de capturer et de réutiliser le CO2, ce qui les rend particulièrement intéressantes pour des applications industrielles.
Pile à combustible : quelles applications concrètes en 2024 ?
En 2024, les piles à combustible se développent dans divers secteurs. De la mobilité verte au stockage d’énergie, en passant par le chauffage des logements, nous vous dévoilons plusieurs de leurs applications.
Mobilité verte : voitures, camions et avions à hydrogène
La mobilité à hydrogène est l’innovation tant attendue par les constructeurs automobiles de véhicules électriques. La pile à combustible corrige en effet certains défauts, en proposant une meilleure autonomie et un temps de chargement ultrarapide. Les voitures à hydrogène, comme celles développées par Toyota et Hyundai, gagnent en popularité. Elles offrent désormais des performances équivalentes à celles des véhicules à combustion (essence ou diesel), mais sans les émissions polluantes.
Les camions à hydrogène, compatibles avec le transport de marchandises sur de longues distances, bénéficient également de l’essor des piles à combustible. Des entreprises comme Nikola et Daimler investissent massivement dans cette technologie pour remplacer progressivement leurs modèles diesel.
L’aviation à hydrogène, bien que plus récente, prend son envol avec des projets de petits avions destinés au transport régional. Des acteurs comme ZeroAvia et Airbus développent des prototypes de moteurs à hydrogène pour redorer le blason de l’aviation. D’ici 2024, plusieurs démonstrateurs devraient voir le jour pour démontrer leur viabilité dans le domaine aéronautique.
Électricité décarbonée : alimentation et stockage d’énergie
En convertissant l’hydrogène en électricité sans émettre de gaz à effet de serre, la pile à combustible constitue une solution écologique efficace pour décarboner la France. Par exemple, cette technologie peut aujourd’hui être déployée dans des datas centers, réputés pour leur forte consommation énergétique, pour garantir un approvisionnement continu et fiable, même en cas de coupure d’électricité.
La flexibilité des piles à combustible crée également une synergie intéressante avec les systèmes d’énergie renouvelable, comme le solaire et l’éolien, dont la production est variable et intermittente. En stockant l’excès d’électricité sous forme d’hydrogène, elles permettent une utilisation ultérieure de cette énergie quand la demande augmente ou que la production chute. Cette solution contribue ainsi à stabiliser le réseau électrique tout en limitant le recours à des batteries de stockage coûteuses et peu durables.
Bon à savoir
Le premier data center urbain alimenté à l’hydrogène vert est situé à Avignon, dans le tiers-lieu LaScierie. Alimenté par un équipement hybride combinant une pile à combustible hydrogène et des batteries recyclables, ce centre fonctionne en énergie renouvelable 100 % décarbonée.
Chauffage : la solution de demain pour chauffer les bâtiments
La pile à combustible pourrait devenir une solution clé pour le chauffage des bâtiments dans un avenir proche, notamment avec le développement des chaudières à cogénération. Ces systèmes utilisent des sources d’énergie comme l’hydrogène ou le gaz naturel pour produire simultanément de l’électricité et de la chaleur, optimisant ainsi leur rendement énergétique. La cogénération permet de couvrir les besoins en chauffage, en eau chaude, et en électricité des foyers, tout en réduisant les émissions de CO2.
À plus grande échelle, cette technologie peut être utilisée pour chauffer des logements collectifs, des bâtiments commerciaux et des installations industrielles. Elle présente l’avantage de fonctionner sans recourir aux combustibles fossiles traditionnels, ne rejetant que de l’eau comme sous-produit.
Les enjeux et perspectives de l’hydrogène vert en France
La France fonde de grands espoirs sur l’hydrogène vert et les piles à combustible pour atteindre ses objectifs de décarbonation et assurer son indépendance énergétique. Le « Plan Hydrogène » lancé en 2020, doté d’une enveloppe de 9 milliards d’euros, prévoit une capacité de 6,5 GW d’électrolyse d’ici 2030, puis 10 GW en 2035. Il vise à réduire les émissions de CO2 de 6 millions de tonnes par an et à stimuler la production d’hydrogène renouvelable. (1)
Face à la concurrence internationale, dominée par la Chine, l’Union européenne durcit les règles pour favoriser une production « Made in Europe ». L’idée est de privilégier les entreprises françaises et européennes en leur réservant un accès prioritaire aux financements et subventions. La France bénéficie également du soutien de la Banque de l’Hydrogène pour financer plusieurs projets d’ampleur.
Ce positionnement s’inscrit dans une stratégie plus large de réindustrialisation européenne des énergies renouvelables, à l’image des pompes à chaleur (PAC) « Made in Europe » et de la Charte solaire.
