Un pas vers la pile à combustible pour tous

Le prototype de la pile à électrodes organométalliques zurichoise. Sans en avoir forcément l’air, cet engin est révolutionnaire. Peter Rüegg / ETH Zürich

L’avenir énergétique de l’humanité se trouverait-il dans l’eau, source du plus puissant des carburants: l’hydrogène ? Peut-être… à condition de surmonter quelques obstacles. Avec leurs électrodes organométalliques pour piles à combustible, des chimistes zurichois pourraient en faire tomber un gros.

La pile à combustible, c’est l’histoire de la bonne idée qui arrive trop tôt. En 1839, Christian Friedrich Schönbein, chimiste germano-suisse connu pour avoir découvert l’ozone et le fulmicoton (un ancêtre de la dynamite), s’amuse à faire l’électrolyse de l’eau, soit à «décomposer» le liquide en hydrogène et oxygène. En coupant le courant, il s’aperçoit que les deux gaz se recombinent en générant un courant électrique de sens inverse.

Un peu plus tard, Schönbein rencontre William Robert Grove. Les deux hommes sympathisent, échangent leurs expériences, et c’est le Britannique qui construira la même année la première vraie pile à combustible. Mais en ces temps d’industrialisation triomphante où le charbon (et plus tard le pétrole) coulent à flots, qui se soucie de cette curiosité de laboratoire ?

Energie totale

Le principe est pourtant génial. Et surtout, son efficacité est bien supérieure à celle de toutes les autres centrales électriques à combustion.

Pour fabriquer de l’électricité en brûlant du charbon ou du pétrole, on commence par faire bouillir de l’eau, qui se transforme en vapeur. On la fait ensuite passer dans une turbine qui actionne une dynamo. Or, à chacune de ces étapes, on perd une partie de l’énergie. Et on n’en perd pas moins avec une centrale nucléaire, dont les réacteurs produisent d’abord de la chaleur, avec laquelle on fait de la vapeur, qui passe dans une turbine pour actionner une dynamo…

Par opposition, une pile à combustible récupère directement l’énergie chimique de son combustible (le plus souvent de l’hydrogène) pour la transformer en électricité. L’hydrogène d’ailleurs ne brûle pas, il se combine simplement avec de l’oxygène pour former… de l’eau.

C’est ainsi que dès les années 60, les astronautes américains ont pris l’habitude de boire l’eau produite par leurs générateurs électriques. C’étaient les premières piles à combustibles réellement utilisées à grande échelle, 120 ans après leur découverte.

Un seul atome de métal

Génial ? Oui, mais il y a plusieurs «mais»… A l’état naturel, la combinaison de l’hydrogène et de l’oxygène est trop lente. Pour l’accélérer, il faut déposer un métal sur les électrodes de la pile. Et le plus efficace connu à ce jour est le platine, rare, problématique quant à son impact sur l’environnement et surtout, deux fois plus cher que l’or.

C’est ici qu’interviennent Hansjörg Grützmacher et ses collègues de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich. En collaboration avec le Conseil national de la recherche italien, ils travaillent sur des piles à combustible qui se nourrissent d’alcools et de sucres. Et pour cela, ils ont développé des électrodes dites «organométalliques». Soit composées d’hydrocarbures (comme toute matière organique) et d’un seul atome de métal par molécule.

«Ce système est complètement nouveau, explique Hansjörg Grützmacher. Sur une électrode classique, chaque nanoparticule contient quelques milliers d’atomes de platine et peut transformer une molécule d’éthanol par unité de temps. Nos molécules sont capables d’en faire autant avec un seul atome de métal». Soit une efficacité multipliée par plusieurs milliers !

Question de prix…

Pour l’instant, ces nouvelles électrodes contiennent du rhodium, un métal lourd à peine moins cher que le platine. «Inacceptable à grande échelle», pour le professeur zurichois, qui compte bien trouver à terme un système fonctionnant avec du cobalt, du nickel, du fer ou du manganèse. Mais pour cela, il faudra arriver à stabiliser les molécules intégrant ces métaux légers, qui ont tendance à s’oxyder trop facilement. Et par la suite, il faudra encore adapter le procédé, conçu pour des piles à éthanol, à des piles à hydrogène.

Hansjörg Grützmacher est bien placé pour juger de la difficulté. Mais pour lui, nous n’aurons de toute façon pas le choix. «Il est bien joli de discuter de cela dans nos pays riches, mais si on veut amener les piles à combustible là où les gens en ont vraiment besoin, c’est-à-dire dans les pays du Sud, il faut faire tomber le prix d’une pile de 2500 dollars la pièce à 30 dollars ou moins. Et avec des électrodes au platine, c’est impossible», constate-t-il.

…et de volonté politique

Autre problème de taille: le carburant. Bien qu’il soit l’élément le plus abondant dans l’univers, l’hydrogène n’existe pas à l’état naturel sur Terre. Il faut donc l’extraire, le plus souvent de l’eau, en cassant la molécule H2O en atomes d’hydrogène et d’oxygène. Soit utiliser de l’électricité pour produire un carburant dont on tirera… de l’électricité.

Face à cette objection, Hansjörg Grützmacher renvoie aux travaux de son ami Dan Nocera, chimiste au prestigieux Massachusetts Institute of Technology, qui préconise l’électrolyse de l’eau par des cellules solaires imitant la photosynthèse naturelle des plantes. «Je ne dirais pas que c’est complètement résolu, mais on est déjà très avancés. Et ça va marcher un jour ou l’autre, j’en suis sûr à 100%», s’enthousiasme le professeur zurichois.

Reste un dernier obstacle. De poids. Même si les grosses industries auront encore longtemps besoin de grosses centrales et que la pile n’est peut-être pas la solution à long terme pour la mobilité, le modèle défendu par les deux scientifiques est un modèle totalement décentralisé. Une centrale à électrolyse et une pile à combustible par maison, cela signifie la mort des marchands de courant et des bâtisseurs de réseaux électriques.

Pas sûr qu’ils se laissent facilement faire…

le premier des atomes

Numéro un sur le tableau périodique des éléments chimiques (ou table de Mendeleïev), l’atome d’hydrogène est le plus léger et le plus simple qui soit: un proton et un électron qui gravite autour. A l’état naturel, il se rencontre le plus souvent sous forme de molécules composées de deux atomes. On parle alors de dihydrogène (H2).

Elément le plus abondant dans l’univers, dont il forme 75% de la masse visible (sans compter la matière noire, dont on ignore encore la composition), l’hydrogène est le principal constituant des étoiles, des planètes gazeuses et des nébuleuses de gaz interstellaire.

Sur Terre, il est peu abondant dans les roches, les sols et dans l’atmosphère, mais omniprésent dans les océans, puisque la molécule d’eau est formée des deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H2O). Il est également, associé avec le carbone, le principal constituant de toute matière vivante. 63% des atomes du corps humain sont par exemple des atomes d’hydrogène.

Source d’énergie formidable, l’hydrogène brûle tellement bien que depuis la catastrophe du Hindenburg en 1937, on l’a remplacé par l’hélium dans le gonflage des dirigeables et des ballons. Il reste par contre le carburant des fusées et ce sont des explosions d’hydrogène qui ont soufflé les toits de la centrale japonaise de Fukushima. 

Utilisé dans une pile à combustible, il est encore plus efficace, au point que selon le chimiste américain Dan Nocera, l’hydrogène contenu dans l’eau d’une seule piscine olympique suffit à fournir les 43 térawatts qui devraient représenter la consommation énergétique annuelle de l’humanité en 2050.