L’avenir de l’industrie passe par une meilleure utilisation de l’hydrogène, autant dans la production que le stockage d’énergie. Le Laboratoire d’Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI), le labo de référence français, contribue à plusieurs projets ciblés. Illustration de ce que pourra être l’utilisation des 1,9 milliard d’euros que vient d’affecter le gouvernement pour le développement de la filière hydrogène en France.

Un article proposé par Clotilde Waltz, de l‘Institut polytechnique de Grenoble, Grenoble INP

Que ce soit pour la production ou le stockage d’électricité, l’hydrogène est une molécule encore sous-exploitée. Alors que le potentiel hydroélectrique français est saturé et que les batteries seront insuffisantes, il représente en particulier une solution idéale pour relever le défi du stockage de l’électricité issue des énergies renouvelables intermittentes ou du surplus d’origine nucléaire.

Par le biais de son Plan Hydrogène, le gouvernement vient d’allouer un budget de 8,3 milliard d’euros sur dix ans pour soutenir le développement de cette filière en France et ne pas rater le virage industriel du vecteur hydrogène. Dans le cadre de ce plan, une dizaine de Programmes et Équipements Prioritaires de Recherche (PEPR) a été lancée, parmi lesquels le PEPR « hydrogène décarboné » qui a pour vocation de soutenir des activités de R&D amont au plus haut niveau mondial, en support aux industriels de la filière et répondant aux priorités définies dans le cadre de la stratégie nationale. Sept projets ciblés ont déjà été identifiés et sont en cours de lancement. Parmi eux, le projet « PEMFC 95 », coordonné par Marian Chatenet, professeur à Grenoble INP – Phelma, UGA et chercheur au LEPMI.

Des piles à combustible à membranes échangeuses de protons

L’objectif du projet PEMFC 95 est de concevoir des cellules de PEMFC (Pile à combustible à membranes échangeuses de protons) capables de fonctionner dans des conditions compatibles avec la mobilité lourde, en gérant mieux la perte de chaleur. « En général, quand une pile fonctionne, 50% de l’énergie est perdue sous forme de chaleur, explique Marian Chatenet. Or, plus la température est élevée, plus la chaleur est facile à valoriser, et même, à dissiper. On a donc tout intérêt à augmenter la température de fonctionnement des piles, afin de réduire la taille des radiateurs de refroidissement. » Actuellement les radiateurs des piles fonctionnant à 70-80°C font à peu près la taille du stack. (NDLR : Un stack de pile à combustible est un empilement de cellules composé de plaques bipolaires, assemblages membranes électrodes (AME), joints, plaques d’extrémité ainsi que du système de maintien).

En montant à 95°C, on peut espérer réduire d’un facteur deux la taille de ce dernier, ce qui engendrerait une diminution non négligeable de l’encombrement total du système pile.

15 degrés qui font toute la différence

Cependant, faire monter la température de fonctionnement des piles de 15°C implique bon nombre de ruptures technologiques : à cette température, l’eau n’est plus tout à fait liquide, les matériaux se détériorent de manière différente et plus rapidement, et toute la fluidique doit être revue. Un vrai saut dans l’inconnu ! « Il y a énormément de travail pour développer de nouveaux matériaux, souligne Marian Chatenet. Dans le projet PEMFC 95, on planche sur de nouveaux matériaux pour les membranes et les électrodes. On veut à la fois de la performance et de la durabilité ! » Quand les matériaux seront au point, restera à les assembler de manière optimisée, et à réaliser les tests en conditions réelles à 95°C. Tout ceci, bien sûr, tout en considérant la question du recyclage, de la valorisation et du cycle de vie du dispositif, afin de s’assurer que la nouvelle pile ne soit pas une aberration écologique et environnementale.

Outre la mobilité lourde, adressée par le projet PEMFC 95 mais aussi le projet Durasys Pack dans lequel est également impliqué le LEPMI, une autre thématique des projets du PEPR est le stockage de l’hydrogène de manière fiable, sûre et efficace. Enfin, le couplage de la production d’hydrogène avec celle d’énergie nucléaire est au cœur de nombreuses recherches. « La flexibilité de la production d’électricité par une centrale nucléaire reste limitée en raison de la forte inertie du procédé. L’idée est donc d’utiliser l’électricité produite en excès dans les centrales pour alimenter des électrolyseurs à haute température et produire de l’hydrogène. » Dans les centrales, une grosse partie de l’énergie est en outre dissipée sous forme de chaleur. En faisant de l’électrolyse à haute température, on pourrait utiliser la chaleur fatale des centrales comme source d’énergie non négligeable pour décomposer la molécule d’eau dans des électrolyseurs à oxydes solides, et ainsi, faire d’une pierre deux coups ! Quelques années de recherche sont encore nécessaires pour parvenir à ce résultat.