Quelle est l'efficacité réelle d'une pile à combustible et comment l'optimiser ?

Dans le système de pile à combustible, l'hydrogène qui ne participe pas à la réaction est recirculé vers l'entrée en hydrogène de la pile. Une petite proportion de l'hydrogène n'est ni utilisé ni recirculé, mais est évacué avec les gaz d'échappement. Cette fraction doit être minimisée afin d'atteindre la plus grande efficacité possible. Le coefficient d'utilisation du combustible, noté µfuel, se définit comme suit :

Évidemment, l'objectif est de rapprocher ce coefficient de 1. Cependant, étant donné qu'il existe toujours une certaine perte, des chiffres réalistes se situent autour de 95%. L'efficacité d'une pile à combustible ne peut pas être comparée directement à celle d'un moteur à combustion classique, car la pile à combustible n'est pas une machine de Carnot. Ainsi, l'efficacité de la pile à combustible se base sur la tension générée, et non pas sur la quantité de chaleur produite comme dans les moteurs thermiques.

L'efficacité η d'une pile à combustible est donc définie par la formule suivante :

Où $V_c$ est la tension réelle de la pile et $V_r$ est la tension réversible ou la « tension sans perte » (OCV), représentant la tension maximale que la technologie de la pile peut délivrer. $V_r$ dépend de plusieurs facteurs, tels que la température, la pression et la concentration des réactifs. Sous des conditions standards, la tension de circuit ouvert pour l’hydrogène est autour de 1,2 V. Toutefois, cette tension peut varier en fonction des conditions d’opération.

Il est essentiel de noter que pour les applications automobiles, ce n'est pas l'efficacité de la pile à combustible elle-même qui est décisive, mais l'efficacité de l'ensemble du système de pile à combustible. Ce système consomme une partie de l'énergie produite pour faire fonctionner divers pompes (comme celles de refroidissement ou de compression de l'hydrogène et de l'air), chauffer les réactifs et les humidifier si nécessaire. Parmi ces consommateurs d'énergie, le compresseur d'air est souvent le plus énergivore, pouvant consommer jusqu'à 20 % de l'énergie générée par la pile. L'efficacité du système se définit donc par le rapport de l'énergie électrique produite par le système à l'énergie chimique délivrée par le combustible :

Lorsqu’on utilise la valeur du pouvoir calorifique inférieur (LHV) du combustible, cette efficacité apparaîtra plus élevée que si l'on utilise la valeur du pouvoir calorifique supérieur (HHV), qui tient compte de l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement.

Dans les applications de poids lourds, par exemple, l'efficacité du système peut dépasser 60 % dans des conditions optimales. Cependant, comme l'efficacité diminue avec la charge (lorsque le courant augmente), les développeurs cherchent à concevoir des systèmes fonctionnant à des charges optimales. Il est également important de noter que l'efficacité d'une pile à combustible diminue avec le vieillissement des cellules. Le vieillissement des piles est donc un sujet majeur dans la recherche et le développement des piles à combustible.

La courbe de polarisation est un outil essentiel pour évaluer la performance d’une pile à combustible. Cette courbe montre la dépendance de la tension par rapport au courant (ou à la densité de courant, c'est-à-dire le courant par unité de surface). Lorsque le courant traverse la pile, la tension chute en raison de plusieurs phénomènes, notamment la cinétique des réactions, les pertes ohmiques et les limitations d'approvisionnement en réactifs à des charges élevées. À mesure que la densité de courant augmente, la tension de la pile diminue. La puissance de la pile, qui est le produit de la tension et du courant, augmente avec le courant, mais à des densités de courant élevées, la baisse de tension devient plus significative que l'augmentation du courant. La plage utile de la pile à combustible est donc limitée par cette chute de tension. La densité de courant maximale utile est un sujet de développement en constante évolution et a déjà été améliorée dans de nombreuses technologies récentes.

En ce qui concerne les différentes réactions pour les piles à combustible, plusieurs types de réactions chimiques peuvent être utilisés en fonction du combustible choisi. Par exemple, dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) qui dominent les applications automobiles, l'hydrogène réagit avec l'oxygène pour produire de l'eau, de l'électricité et de la chaleur, ce qui permet d'alimenter un moteur électrique tout en n'émettant que de l'eau comme produit secondaire.

Il est aussi important de préciser que l’énergie chimique d'un combustible peut être exploitée de deux manières : d'abord par combustion dans des moteurs à explosion classiques, qui convertissent l’énergie chimique en énergie thermique, puis en énergie mécanique via un cycle thermique, ou bien par électrolyse dans une pile à combustible, où l'énergie est convertie directement en électricité sans combustion.

Les piles à combustible, tout en étant une alternative plus propre aux moteurs thermiques, nécessitent des technologies sophistiquées pour optimiser leur efficacité et leur durée de vie. La recherche continue dans ce domaine vise à améliorer ces performances tout en réduisant les coûts et en augmentant la fiabilité des systèmes.

Quelles sont les alternatives aux carburants fossiles pour les moteurs diesel ?

Les carburants alternatifs, issus de la biomasse ou d’autres sources renouvelables, sont de plus en plus considérés comme des solutions potentielles pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. Toutefois, la production et l’utilisation de ces carburants engendrent des défis techniques et environnementaux importants. Parmi les principales alternatives aux carburants fossiles pour moteurs diesel, on distingue les huiles végétales estérifiées, l’huile végétale hydrogénée, les carburants synthétiques et les procédés Biomasse à Liquide (BTL). Chacun de ces carburants présente des avantages et des inconvénients qu’il est essentiel de bien comprendre.

Les huiles végétales esterifiées, comme le biodiesel, résultent de la réaction contrôlée d'huiles végétales avec du méthanol. Ce processus de transestérification permet de produire des esters méthyliques d’acides gras (FAME) qui, bien que plus ignitables, diffèrent notablement des carburants diesel traditionnels en termes de propriétés. Les principaux carburants produits par ce procédé sont l’huile de soja (SME), l’huile de palme (POME) et l’huile de colza (RME), largement utilisée en Europe. Cependant, l'utilisation du biodiesel dans des moteurs conçus pour le diesel minéral présente plusieurs inconvénients. L’usure des moteurs, notamment au niveau du système d’injection, peut augmenter, de même que les émissions d'oxydes d'azote (NOx). En outre, le biodiesel peut provoquer une accumulation de cendres dans les filtres à particules diesel (DPF), nécessitant un nettoyage plus fréquent. De plus, sa stabilité à long terme est inférieure à celle du diesel fossile, ce qui peut entraîner la formation de dépôts dans les réservoirs et les systèmes de carburant. RME est également plus corrosif que le diesel minéral, ce qui peut endommager les canalisations et les joints en acier. En résumé, bien que le biodiesel semble une alternative attrayante, ses effets sur la durabilité des moteurs et les systèmes d'échappement ne doivent pas être sous-estimés.

L’huile végétale hydrogénée (HVO) est une autre alternative prometteuse. Contrairement au biodiesel, elle ne subit pas de transestérification mais est traitée par hydrogénation dans des conditions de haute pression et de haute température. Ce procédé produit des hydrocarbures à chaîne longue et non ramifiée, qui ne présentent pas les inconvénients du biodiesel. L’HVO est exempt de soufre et de composés aromatiques, ce qui le rend compatible avec les moteurs diesel classiques. Il peut être mélangé avec du diesel fossile sans restriction et utilisé pur dans certains cas. En raison de ses propriétés de combustion, l’HVO permet de réduire les émissions polluantes, ce qui en fait une alternative intéressante sur le plan environnemental. Cependant, son coût de production reste élevé, ce qui limite son adoption à grande échelle.

Les carburants synthétiques, issus de divers procédés comme le "Coal to Liquid" (CTL), "Gas to Liquid" (GTL) et "Biomass to Liquid" (BTL), offrent des possibilités d'exploitation des hydrocarbures à partir de matières premières non fossiles. Le processus BTL, qui utilise des résidus de biomasse comme matière première, est particulièrement attractif du point de vue de la protection climatique. Cette méthode permet d’utiliser non seulement les fruits des plantes, mais aussi leurs résidus, comme les copeaux de bois ou les restes de cultures agricoles. Ce procédé offre un rendement énergétique par unité de surface cultivée supérieur à celui du biodiesel. Le BTL est donc une solution durable, bien que les coûts de production restent élevés. Une fois le gaz produit par la gazéification de la biomasse, il est purifié, et les produits synthétiques comme le diesel, la naphta et les hydrocarbures à longue chaîne sont obtenus. Ces carburants ont des propriétés de combustion similaires à celles du diesel minéral et peuvent être utilisés dans les moteurs existants, sans nécessiter de modifications majeures.

Les carburants synthétiques peuvent également être fabriqués sans soufre et offrent d’excellentes caractéristiques de combustion, ce qui les rend compatibles avec les moteurs à combustion interne. Cependant, la production de ces carburants est énergivore et coûteuse, ce qui freine leur adoption à grande échelle. De plus, la fabrication de carburants à partir de la biomasse n’est pas encore une priorité politique, bien que son potentiel soit indéniable dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre.

En conclusion, les carburants alternatifs pour moteurs diesel représentent une avenue prometteuse pour remplacer progressivement les carburants fossiles. Toutefois, il est essentiel de considérer non seulement les avantages environnementaux, mais aussi les défis techniques et économiques associés à leur production et leur utilisation. Le choix du carburant dépendra largement de l’évolution des technologies de production, des politiques environnementales et des exigences économiques, qui devront s’aligner pour garantir une transition énergétique durable.

Quels sont les carburants alternatifs pour les moteurs diesel et leurs enjeux économiques et environnementaux ?

Les carburants alternatifs pour les moteurs diesel représentent une réponse possible aux défis environnementaux et énergétiques actuels. Toutefois, leur compétitivité économique et leur impact sur le climat sont loin d’être résolus. En particulier, les biocarburants, tels que les carburants issus de la biomasse, se heurtent à des obstacles économiques importants. Le coût élevé de la biomasse, les frais de transport et la complexité des processus de production demeurent des défis majeurs, sans compter le besoin en gaz réactionnels nécessaires à la production de ces carburants. Si les carburants dits BTL (Biomass to Liquid) semblent prometteurs sur le plan écologique, ils ne sont pas encore compétitifs par rapport au diesel traditionnel provenant du pétrole fossile, tant en termes de coût que d'efficacité.

Le Gas to Liquid (GTL) et son dérivé Bio-GTL offrent une alternative intéressante. Le processus GTL permet de transformer le gaz naturel (principalement du méthane) en carburant diesel par un procédé chimique impliquant de l’hydrogène et de l’oxygène. Si le méthane utilisé provient de la biomasse, ce carburant est alors qualifié de Bio-GTL. Bien que ce procédé puisse être plus propre que le diesel fossile, il reste soumis à des contraintes économiques, notamment en ce qui concerne la disponibilité et le coût de la matière première.

En revanche, la production de carburants à partir du charbon, connus sous le nom de Coal to Liquid (CTL), s'avère être une solution moins viable. Les carburants CTL sont produits par la liquéfaction du charbon, un procédé qui présente de lourds inconvénients environnementaux. En raison de la haute teneur en carbone du charbon, l’énergie produite par la combustion du CTL génère environ 2,5 fois plus de CO2 que l’énergie provenant du pétrole. En outre, même si les réserves mondiales de charbon sont vastes, la production de carburants CTL ne contribue pas à résoudre la problématique des émissions de gaz à effet de serre.

Le Dimethyl Ether (DME), un gaz incolore et hautement inflammable, est un carburant alternatif de plus en plus étudié. Liquéfié sous pression modérée, le DME présente l’avantage de brûler complètement, sans produire de particules. Cependant, sa densité énergétique est inférieure à celle du diesel traditionnel, ce qui limite l'autonomie des véhicules fonctionnant à ce carburant. Il peut être produit de manière régénérative à partir de biomasse ou de combustibles fossiles, ce qui en fait un choix versatile.

Une autre approche prometteuse est le mode carburant mixte gaz-diesel, où un moteur fonctionne en mélangeant du gaz (principalement du méthane) et du diesel. Le principe de fonctionnement repose sur l'auto-allumage du mélange gazeux dans le cylindre, grâce à l'injection de diesel. Ce système permet d’optimiser l'utilisation du gaz, réduisant ainsi la consommation de diesel. Cependant, plusieurs défis techniques restent à surmonter. En particulier, le contrôle de l'auto-allumage et l’évacuation du méthane non brûlé de l’échappement sont des questions clés. De plus, l’infrastructure nécessaire pour alimenter les véhicules en gaz à une échelle nationale représente un frein important. L’ajout de réservoirs et de pompes pour les deux carburants (gaz et diesel) dans le même véhicule augmente également les coûts et complique l’intégration dans des espaces restreints, comme ceux des camions de transport.

Concernant les carburants alternatifs pour les moteurs à allumage commandé (Otto), le gaz naturel sous forme de CNG (gaz naturel comprimé) ou de LNG (gaz naturel liquéfié) est souvent cité comme une alternative prometteuse. Le gaz naturel, composé principalement de méthane, présente l'avantage de produire moins de CO2 que les autres combustibles fossiles. Cependant, les problèmes liés au stockage et à la distribution restent des obstacles. Le CNG nécessite des pressions élevées pour être stocké efficacement, tandis que le LNG, qui est stocké à des températures extrêmement basses, pose des défis en termes de vaporisation et de pertes d’énergie. De plus, le gaz naturel liquéfié peut s'avérer moins intéressant pour les véhicules ayant des périodes d'immobilisation longues en raison des pertes dues à l'évaporation.

Enfin, la transition vers ces carburants alternatifs doit être envisagée sous plusieurs angles. D’un côté, il y a la nécessité de réduire l'empreinte carbone des transports en trouvant des alternatives moins polluantes. De l'autre, l’économique et l’efficience des procédés de production sont tout aussi essentiels. Il ne suffit pas de développer des technologies plus propres ; elles doivent également être abordables et accessibles à grande échelle pour être véritablement efficaces sur le long terme. Par conséquent, bien que les carburants alternatifs soient une voie prometteuse, leur adoption à large échelle dépendra largement de la résolution des enjeux économiques, techniques et logistiques associés à leur production et à leur distribution.