HYSTACK

Le stockage et la restitution électrochimique de l’énergie constitue une de voies de gestion optimale des ressources énergétiques. En effet, dans un contexte de raréfaction des ressources fossiles et de développement des énergies renouvelables, généralement intermittentes, la possibilité de stocker l’énergie électrique et de la restituer avec des rendements intéressants apparaît comme une solution à long terme vers un développement durable. Une des voies de stockage-restitution de l’énergie électrique consiste à passer par un vecteur énergétique, c’est-à-dire à transformer l’énergie électrique en énergie chimique via la production d’un combustible, l’hydrogène par exemple (électrolyse). Les systèmes de restitution constituent un maillon important de la chaîne de stockage : en effet, une fois l’énergie stockée, encore faut-il que celle-ci soit restituée, en temps opportun, avec des rendements intéressants. Si l’hydrogène peut, comme tout combustible, être brûlé, il est bien plus intéressant, du point de vue du rendement, de l’utiliser dans des systèmes électrochimiques ouverts tels que les piles à combustibles.

A l’heure actuelle, ces technologies se situent en début de phase de déploiement. De nombreux acteurs industriels possèdent des prototypes, souvent toujours en cours de développement, et commencent à commercialiser des appareils ‘grand public’, notamment pour les applications stationnaires : production d’électricité hors réseau, systèmes de back-up, groupes électrogènes de secours, etc. Bien que le secteur automobile soit, d’un point de vue marketing, le plus visible pour l’instant, avec par exemple la commercialisation, depuis 2015, de la Toyota Mirai, les applications stationnaires des piles à combustibles constituent certainement le secteur de développement le plus prometteur en termes de marché. Plusieurs projets de grande envergure ont ainsi vu le jour, notamment au Japon (projet Ene-Farm – près de 100.000 unités individuelles installées depuis 2009) ; en Europe, la même approche est en cours de développement (projet Ene-field, 1000 unités de démonstration installées). Des solutions de type micro-CHP destinées à une utilisation domestique sont déjà proposées par de grandes entreprises du secteur, comme Vaillant ou Viessmann.

Cependant, ces technologies font encore l’objet de nombreux développements, notamment au niveau des matériaux utilisés, de leur assemblage, mais aussi de la réponse à l’utilisation de ces systèmes. En effet, la durée de vie des matériaux utilisés est fortement conditionnée par le mode d’utilisation. Par ailleurs, chaque constructeur, qu’il s’agisse de grandes compagnies pour lesquelles les piles à combustible ne constituent qu’un secteur parmi d’autres, ou de PME exclusivement focalisées sur les piles à combustible, développe des technologies qui lui sont propres : ainsi, de nombreux modèles, parfois basés sur des technologies très différentes (piles de type PEM, SOFC ou encore PAC) sont disponibles à la vente. Par conséquent, en-dehors des spécifications fournies par le constructeur, il est difficile d’évaluer la pertinence d’une technologie par rapport à une autre ou d’avoir une idée précise de la manière dont le système choisi va se comporter en fonction de l’utilisation, qui peut être très différente d’un secteur à l’autre.

Le Département de Génie chimique (Chemical Engineering) de l’Université de Liège (laboratoire Nanomatériaux, Catalyse, Electrochimie) est impliqué depuis de nombreuses années dans le développement de matériaux pour piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane). A cette fin, il possède une infrastructure remarquable permettant la fabrication et la caractérisation d’éléments de piles (assemblages membrane-électrodes, plaques bipolaires) ; plusieurs projets combinés ont pour but le développement de matériaux individuels et leur assemblage en monocellule ou en stack de faible puissance. L’objectif du projet HyStack est le développement d’un banc de test complémentaire permettant la caractérisation de stacks en fonctionnement pour des puissances allant jusqu’à 10 kW. Cette gamme de puissance permettrait de couvrir une large gamme d’applications, et d’obtenir des données représentatives du fonctionnement de différentes piles à combustible en fonction de leur schéma d’utilisation. Ce type d’équipement permettrait donc d’orienter le choix de la technologie par rapport à l’utilisation réelle, qui peut être très variée (production décentralisée, aide au stockage d’énergie, applications mobiles, etc.).

Afin de permettre la plus grande versatilité, le banc sera entièrement conçu au laboratoire de manière à permettre les modifications nécessaires à l’adaptation du système à chaque de pile étudiée. Il sera, tant que possible, automatisé de manière à pouvoir reproduire les profils de fonctionnement de la pile dans un environnement réel, et sera adapté aussi bien aux piles stationnaires qu’aux piles embarquées (automobile). Le banc de test sera validé avec deux stacks différents, et des modes de fonctionnement choisis variables. A terme, il sera mis à disposition d’études permettant un choix optimal de la technologie ou de la configuration de la pile en fonction de l’application envisagée.