Graphite

Les piles à combustible sont devenues une source d'énergie écologique viable, et les progrès technologiques continuent d'être réalisés. Aujourd'hui, les piles à combustible sont déjà utilisées pour l'alimentation primaire et de secours des bâtiments commerciaux, industriels et résidentiels. Cependant, les piles à combustible sont également utilisées pour alimenter une variété de véhicules, notamment des chariots élévateurs, des voitures, des bus, des bateaux, des motos et des sous-marins. À mesure que la technologie des piles à combustible s'améliore, l'importance d'utiliser du graphite de haute pureté dans les plaques bipolaires, les couches de diffusion de gaz et les catalyseurs des piles à combustible devient de plus en plus évidente.

Alors que l'industrie des véhicules électriques (VE) se développe, l'autonomie s'est avérée être un défi majeur. Les piles à combustible peuvent être utilisées à la fois dans des applications fixes et mobiles, bien que ces dernières nécessitent l'accès à une station de ravitaillement. Cependant, les véhicules électriques standards sont encore beaucoup plus limités par leurs batteries. Ce n'est pas très pratique dans de nombreuses applications commerciales où les véhicules parcourent de grandes distances, ou dans les pays qui sont moins densément peuplés et ont de longues distances de conduite. Les piles à combustible peuvent fournir de l'énergie électrique à des distances de conduite comparables à celles des moteurs à essence ou diesel. Par conséquent, les piles à combustible sont fréquemment utilisées dans les transports en commun/autobus, par exemple en Chine et en Amérique du Nord, en particulier dans les applications de type flotte où les véhicules reviennent chaque jour à un point central. Les bus à pile à combustible fonctionnent dans un certain nombre d'États américains, ainsi qu'au Royaume-Uni.

De plus en plus, les constructeurs automobiles envisagent cette technologie à plus grande échelle. Daimler et Honda louent déjà des véhicules à pile à combustible et sont suivis par d'autres constructeurs automobiles comme Toyota et Hyundai.

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'un combustible en électricité par une réaction électrochimique du combustible contenant de l'hydrogène avec l'oxygène de l'air ou un autre agent oxydant. Les plaques bipolaires (BP) sont un composant clé des piles à combustible à caractère multifonctionnel : elles conduisent le courant électrique d'une cellule à l'autre, éliminent la chaleur de la zone active et empêchent les fuites de gaz et de liquide de refroidissement. Les couches de diffusion de gaz (GDL) sont essentielles pour répartir uniformément le gaz combustible et l'oxygène de l'air. Les catalyseurs et les substrats catalytiques sont décisifs pour augmenter la vitesse des réactions électrochimiques de la pile à combustible.

Le graphite dans les piles à combustible est utilisé comme matériau conducteur pour les plaques bipolaires, qui sont un composant essentiel de la structure de la pile à combustible. Les plaques bipolaires en graphite super minces doivent être pures et de haute qualité pour améliorer la conductivité électrique et thermique, ainsi que pour assurer un fonctionnement à long terme.

Les plaques bipolaires des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, l'une des technologies les plus populaires, nécessitent de gros flocons de graphite de haute pureté. Le graphite à grains fins est également utilisé comme additifs et charges, mais il s'agit d'un composant relativement petit des piles à combustible.

Le graphite est également utilisé dans le GDL, où le graphite a un impact sur la porosité de cette couche.

Enfin, le graphite de haute pureté est utilisé comme substrat de catalyseur, permettant aux métaux précieux du catalyseur d'être en contact étroit avec les produits chimiques réactifs, tout en évitant toute contamination.

Les piles à combustible reposent sur un processus électrochimique et non sur une combustion, les émissions nocives des piles à combustible sont vraiment inexistantes - un changement absolu même par rapport aux processus de combustion de carburant les plus propres. L'eau et la chaleur sont les seuls sous-produits des piles à combustible. Les piles à combustible sont également beaucoup plus efficaces que les moteurs à combustion pour convertir le carburant en énergie. Comme elles n'ont pas de pièces mobiles, les piles à combustible sont silencieuses, durables, fiables et durables avec peu d'entretien.

L'UE poursuit activement la coopération internationale en matière de recherche et d'innovation dans le domaine de l'hydrogène renouvelable par le biais de Mission Innovation, une initiative mondiale visant à accélérer les efforts d'innovation dans le domaine des énergies renouvelables. L'objectif de la Clean Hydrogen Mission est de réduire les coûts de l'hydrogène propre pour l'utilisateur final à 2 $/kg d'ici 2030 et de développer au moins 100 vallées de l'hydrogène dans le monde d'ici 2030. Les politiques nationales en place ont été enregistrées par le rapport de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) sur l'hydrogène.1

Dans le cadre de sa stratégie RePowerEuropePlan2, l'Union européenne a adopté en 2020 une stratégie globale de l'hydrogène3 comprenant un certain nombre d'actions : un accélérateur d'hydrogène, un réseau d'énergie hydrogène, une alliance européenne pour l'hydrogène propre et diverses initiatives de recherche. Le 8 juillet de cette année, la Commission européenne a adopté la stratégie de l'UE pour l'intégration des systèmes énergétiques et l'hydrogène4. La première porte sur les infrastructures de recharge et les réseaux, tandis que la stratégie sur l'hydrogène se concentre sur les véhicules long-courriers et les poids lourds et les infrastructures hydrogène.

Pour l'infrastructure hydrogène pour les véhicules de transport, les problèmes liés à l'infrastructure de ravitaillement sont différents de ceux des véhicules privés. Pour les flottes de transport, la Commission européenne estime que les stations de ravitaillement en hydrogène peuvent "être facilement alimentées par des électrolyseurs régionaux ou locaux, mais leur déploiement devra s'appuyer sur une analyse claire de la demande de la flotte et des exigences différentes pour les véhicules légers et lourds". Par conséquent, les piles à combustible à hydrogène devraient être davantage encouragées dans les véhicules routiers lourds, les autocars, les véhicules à usage spécial et le fret routier longue distance.

La Commission européenne a également noté qu'environ 46 % du réseau de grandes lignes européen est actuellement encore desservi par la technologie diesel et que, par conséquent, des trains à pile à combustible à hydrogène pourraient être développés sur d'autres itinéraires commerciaux ferroviaires viables qui sont autrement difficiles ou non rentables à électrifier.

En parallèle, l'European Clean Hydrogen Alliance5 organise des tables rondes axées sur les camions/bus, les véhicules légers, les trains, les navires, les piles à combustible, les groupes motopropulseurs, les réservoirs et les stations de ravitaillement en hydrogène (HRS). Les politiques de l'hydrogène sont désormais également réparties dans de nombreux pays européens, mais avec de grandes différences. En 2021, 19 États membres sur 34 disposaient d'une stratégie nationale de l'hydrogène et les changements géopolitiques ont accéléré les discussions et les activités.

À la suite d'un rapport du Centre commun de recherche (JRC) de la Commission européenne sur le déploiement mondial de piles à combustible stationnaires de grande capacité (200 kW ou plus) identifiant les moteurs et les obstacles à une présence européenne plus forte, l'Observatoire des piles à combustible et de l'hydrogène (FCHO)6 a publié ses rapports en juin 2022 sur les technologies, l'offre et la demande, les politiques et les normes.7

L'European Clean Hydrogen Alliance8 a identifié un pipeline de plus de 750 projets d'investissement que ses membres ont indiqué entreprendre d'ici 2030. Les projets sont situés dans presque tous les États membres de l'UE et comprennent la production d'hydrogène (projets d'installation d'électrolyseurs de plus de 50 GW), le transport et son utilisation par l'industrie, les applications de mobilité, les systèmes énergétiques et dans les bâtiments.

Le Clean Hydrogen Partnership9 dans le cadre d'Horizon Europe relève le niveau de la recherche avec un soutien de l'UE de 1 milliard d'euros pour la période 2021-2027, complété par un montant au moins équivalent d'investissements privés (des membres privés du partenariat), portant le budget total à plus de 2 milliards d'euros.

Dans son rapport sur l'hydrogène, l'Agence internationale de l'énergie a illustré qu'avec le développement des demandes de brevet pour les piles à combustible 2010-201910, l'Europe se classe au deuxième rang après le Japon.

L'UE dispose d'un système d'identification des projets importants d'intérêt européen commun (PIIEC). Le premier IPCEI dans ce domaine s'appelle "IPCEI Hy2Tech", qui comprend 41 projets et a été approuvé en juillet 2022. Il vise à développer des technologies innovantes pour la chaîne de valeur de l'hydrogène afin de décarboner les processus industriels et le secteur de la mobilité en mettant l'accent sur les utilisateurs finaux.

En septembre 2022, la Commission a approuvé « IPCEI Hy2Use », un deuxième projet qui complète l'IPCEI Hy2Tech et qui soutiendra la construction d'infrastructures liées à l'hydrogène et le développement de technologies innovantes et plus durables pour l'intégration de l'hydrogène dans les secteurs industriels. Ce projet implique 29 entreprises et 35 projets de 13 États membres. Les États membres fourniront jusqu'à 5,2 milliards d'euros de financement public, ce qui devrait débloquer 7 milliards d'euros supplémentaires d'investissements privés.

Dans un projet de recherche conjoint appelé "miniBIP II"11, l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux IWS Dresde, le groupe automobile allemand Daimler et l'entreprise sidérurgique finlandaise Outokumpu Nirosta ont maintenant développé une alternative économique pour une production de masse plus rapide et moins complexe, moins coûteuse et plus durable sur le plan environnemental. Au lieu d'utiliser de l'or dans la production continue de plaques bipolaires, ils recouvrent les plaques d'un revêtement de carbone très fin. En utilisant le dépôt physique en phase vapeur, une voiture électrique dans une chambre à vide vaporise d'abord le carbone, qui est ensuite déposé sur l'acier inoxydable en une couche très pure, uniforme et très mince.

Un autre projet dans le cadre d'Horizon Europe est PEMTASTIC, réunissant Imerys, le Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, des producteurs de piles à combustible et des universitaires, et visant à relever les défis techniques clés pour augmenter la durabilité des assemblages membrane-électrodes (AME) pour les applications HD. Ces défis sont abordés avec une combinaison de conception basée sur des modèles et le développement d'un CCM durable utilisant des matériaux innovants adaptés pour un fonctionnement intensif à haute température (105°C). Les objectifs quantitatifs correspondent à une durabilité de 20 000 heures, en maintenant une densité de puissance de pointe de 1,2 W/cm2 à 0,65 V à une charge de Pt de 0,30 g/kW.

Selon les matières premières critiques du JRC pour les technologies et secteurs stratégiques dans l'UE. Une étude prospective12 : "Le passage à l'e-mobilité nécessitera des batteries, des piles à combustible et des moteurs de traction légers non seulement pour les voitures mais aussi pour les vélos électriques, les scooters et les transports lourds. La défense et l'aérospatiale ont toujours été d'une importance stratégique et restent à la pointe des développements technologiques ; ils déploient presque toutes les technologies."

Tout au long de son rapport, le CCR identifie la nécessité de remédier aux goulots d'étranglement de l'approvisionnement en matières premières, y compris le graphite, pour ces applications.

Aux États-Unis, on estime qu'il y a plus de graphite dans un véhicule à pile à combustible que dans un véhicule électrique. Le United States Geological Survey a déclaré que: "Les piles à combustible ont le potentiel de consommer autant de graphite que toutes les autres utilisations combinées." Le marché mondial des piles à combustible connaît une croissance rapide et devrait continuer de croître à un TCAC de 20,9 % jusqu'en 2025.

L'investissement dans des projets de recherche se poursuivra probablement, avec de nouveaux développements dans les matériaux pour piles à combustible attendus dans les années à venir. Le prochain forum européen sur les piles à combustible13 se tiendra du 4 au 7 juillet 2023 à Lucerne, en Suisse.

Dr Corina Hebestreit Secrétaire générale Association européenne du carbone et du graphite http://www.ecga.net/ https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=be https://twitter.com/Ecga_C

Attention, cet article paraîtra également dans la douzième édition de notreparution trimestrielle.

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