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UTILISATION A GRANDE ECHELLE DE LA PILE A COMBUSTIBLE

COREE DU SUD – L’intérêt pour la pile à énergie combustible qui est en pleine croissance dans les marchés où le développement à grande échelle de l’énergie verte est souhaité, mais l’espace pour les parcs solaires ou éoliens est limité. Le développement le plus récent est le plus grand parc de piles à énergie combustible le plus puissant au monde à HWASUNG CITY, COREE DU SUD.

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La COREE DU SUD est un pays à forte intensité énergétique, avec une forte densité de la population urbaine et peu de terres disponibles. Dans la foulée d’un scandale impliquant des certificats de sécurité des centrales nucléaires falsifiés, la nation vise à réduire sa dépendance à l’énergie nucléaire pour 29 % de son mix énergétique d’ici 2035.

En raison d’un manque de ressources locales, les combustibles importés répondent actuellement environ à 97 % de la demande énergétique de la COREE DU SUD. En 2013, le pays était le deuxième plus grand importateur mondial de gaz naturel liquéfié (GNL), le quatrième plus grand importateur de charbon et le cinquième plus grand importateur de pétrole.

En vue d’une perspective de nettoyage de son mix énergétique, la COREE DU SUD a mis en place une politique de croissance verte depuis 2008 afin d’augmenter son utilisation d’énergies renouvelables à 20 % de la production totale en 2027. Dans sa politique d’environnement de sources d’énergies renouvelables, la nation propose une obligation de rachat de l’énergie renouvelable et une norme de portefeuille renouvelable.

Cependant, son terrain est accidenté et ne s’adapte pas particulièrement aux grandes exploitations solaires ou éoliennes. Au cours des dernières années, la COREE DU SUD a montré un intérêt croissant sur la puissance de la pile à combustible, avec un certain nombre de projets dans les travaux.

En février, le producteur d’électricité indépendant POSCO ENERGY, une entreprise partenaire sud-coréenne a installé la plus grande centrale à pile à combustible du monde. Le parc d’énergie verte de 59 mégawatts (MW) de GYEONGGI, dans la ville de HWASUNG de COREE DU SUD utilise la technologie de FUEL CELL ENERGY. La discussion de M. TONY LEO, vice-président de FULL CELL ENERGY pour les applications et le développement de la technologie de pointe avec M. KURT GODDARD, vice-président des relations avec les investisseurs à propos de GYEONGGI concerne la constance de l’énergie de la pile à combustible. Ils ont également discuté de la recherche et le développement ainsi que les perspectives du marché et les plans de l’entreprise pour l’avenir.

Comment fonctionne une centrale électrique à pile à combustible ?

Les piles à combustible convertissent l’énergie chimique à partir de combustibles riches en hydrogène, en énergie électrique et en chaleur dans un processus électrochimique à faibles émissions.

Similaire à une batterie, une pile à combustible est constituée de nombreuses cellules individuelles groupées ensemble pour former ce qu’on appelle un empilement de piles à combustible. Chaque cellule contient une anode, une cathode et un électrolyte ultérieur. Quand un combustible riche en hydrogène tel que du gaz naturel ou de biogaz entre dans l’empilement de piles à combustible afin de générer une réaction électrochimique avec l’oxygène et produire du courant électrique, de la chaleur et de l’eau. Différemment, à partir d’une batterie présentant une alimentation fixe d’énergie et pouvant être déchargée, les piles à combustible peuvent produire de l’électricité dans la mesure où le carburant est fourni.

Le combustible direct des centrales de cellule FUEL CELL ENERGY est basé sur la technologie des piles à combustible de carbonate dans lequel l’électrolyte est constitué de carbonates de potassium et de lithium. Les piles à combustible de carbonate peuvent générer de l’hydrogène à partir de sources de carburant multiple dans un processus appelé reformage interne, qui a été breveté par FUEL CELL ENERGY. La société affirme que ce processus offre un avantage concurrentiel, car elle permet facilement d’utiliser le carburant disponible. Du fait qu’il n’y a pas de combustion de carburant, la production d’électricité n’émet presque pas de particules dites NOX ou SOX.

La pile à combustible de la cellule se trouve à l’intérieur de la centrale ou un module contenant plusieurs piles pour les centrales de plusieurs mégawatts. Le carburant entrant est traité par l’équilibre mécanique d’origine végétale, tandis que la sortie électrique est générée par l’équilibre électrique de l’installation.

Bâtiment Gyeonggi

La centrale de GEYONGGI de 59 MW est un peu plus grande que le deuxième plus grand parc de pile à combustible de 14,9 MW à BRIDGEPORT, CONNECTICUT, aux ÉTATS-UNIS qui développent également du FUEL CELL ENERGY. POSCO ENERGY construit un tiers du parc de piles à combustible de 19,6 MW à SEOUL.

L’usine de GNL de GEYONGGI fournit de l’énergie de base continue à la ville de HWASUNG CITY. Ses 21 unités de base Direct FUEL CELL (DFC3000) sont évaluées à 2,8 MW chacune et installées sur un terrain de 2 hectares. En raison de leur faible encombrement, les centrales de FUEL CELL ENERGY sont des sites simples selon les déclarations de M. GODDARD.

« Une centrale solaire intermittente aurait besoin d’environ 10 fois, la surface que nous utilisons » a ajouté M. LEO. « En COREE DU SUD, où il y a une forte densité de population, nous prenons seulement 5 hectares dans une zone industrielle près de 60 MW d’électricité de base continue. »

L’installation de POSCO ENERGY est prévue de terminer dans 14 mois. « Pour un projet de cette taille, cette durée de construction témoigne de la façon dont le projet a été traité, en douceur ». M. LEO a ajouté que « par rapport aux centrales classiques, il faut plus de temps pour obtenir le permis. »

L’obtention du permis pour le parc a été très rapide a expliqué M. LEO « cette technologie est spécifique » dit-il, « et c’est la même en CALIFORNIE et plusieurs autres États américains parce que la technologie de pile à combustible est reconnue comme émettant pratiquement pas de polluants nocifs. Nous pouvons donc contourner la pollution de l’air qui est nécessaire pour une centrale de cette taille. »

La construction n’a posé aucun problème a annoncé M. LEO « parce que nous avons construits 21 unités identiques, c’est un processus de construction relativement simple. Au lieu de 21 mobilisations séparées, il y a moins de mobilisation de grues et autres ». L’interconnexion des 21 unités était un peu plus compliquée que pour une seule unité » a-t-il poursuivi, mais ils n’ont pas rencontré de problèmes actuellement. C’était juste quelque chose que nous avions besoin de travailler en termes d’ingénierie ».

L’évolutivité de parts a été un avantage, ce qui rend le projet « très différent afin d’installer un gros système de 59 MW » a ajouté M. LEO. GYEONGGI, c’est « le plus grand projet que nous avons réalisé, mais nous espérons qu’il deviendra un projet typique dans le grand schéma des centrales. »

Utilisation de la chaleur

L’efficacité de la centrale électrique à pile à combustible – dans le cas de GYEONGGI, autour de 47 % peut être améliorée en utilisant la chaleur résiduelle des piles à combustible dans d’autres applications telles que les procédés industriels ou de chauffage d’installation et de refroidissement. Bien que ce n’est « pas toujours possible dans les systèmes de cette taille », a expliqué M. GODDARD. « Dans notre projet de 14,9 MW dans le CONNECTICUT, nous ne pouvions pas trouver un utilisateur pour l’excès de chaleur, donc nous allons collecter la chaleur résiduelle provenant de la pile à combustible et produire plus d’électricité dans un cycle de talonnage ».

Cependant, HWASUNG CITY possède un système de chauffage de district, à laquelle l’usine de GYEONGGI contribue désormais en fournissant 20 à 30 MW d’énergie thermique. « Nous récupérons la chaleur à partir des gaz d’échappement des 21 unités », a déclaré M. GODDARD. Il a expliqué que le sommet de la section de l’équipement principal de chaque centrale à pile à combustible est un système de récupération de chaleur des déchets qui transfère la chaleur à une boucle d’eau chaude et au-delà du réseau de chauffage urbain. Alors que les systèmes de chauffage urbain ne sont pas communs aux ÉTATS-UNIS, a expliqué M. GODDARD. « Une fois que vous êtes en dehors des ÉTATS-UNIS et dans les zones avec chauffage et refroidissement urbain, il y a des options intéressantes » pour l’utilisation de la chaleur excessive.

La fabrication locale

La COREE DU SUD vise à élargir sa base de fabrication locale, et la fabrication de l’énergie propre est prévue pour être un pilote pour la croissance de la nation au cours des 10 prochaines années.

Alors que les composants de FUEL CELL ENERGY sont actuellement fabriqués dans le CONNECTICUT, POSCO ENERGY, qui est une filiale de la quatrième plus grande entreprise sidérurgique du monde, est en train de construire une usine de fabrication de composants de piles à combustible à POHANG, qui devrait commencer à fonctionner en 2015.

« Ils le font sous licence pour nous », a expliqué M. GODDARD, « mais c’est pour eux et leur marché, même si nous pouvons nous procurer des composants. Nous avons d’abord travaillé sous licence l’équilibre de la technologie de l’usine, et il y a quelques années ils ont commencé la fabrication d’échangeurs de chaleur et ainsi de suite. Les modules de pile à combustible sont déjà en train de faire l’assemblage final des empilements de piles à combustible, et dans quelques années ils seront en mesure de fabriquer les cellules elles-mêmes ».

« Pour nous, c’est un flux de redevances, mais aussi une deuxième source d’approvisionnement », a déclaré LEO. « Et pour certains de nos clients, le fait qu’il y a une deuxième source pour les principaux composants de piles à combustible est réconfortant ».

R & D

La société travaille sur l’amélioration de sa technologie. « Une de ces 21 centrales DFC3000 en COREE DU SUD génère 2,8 MW, et vous devez changer la pile à combustible tous les cinq ans », a déclaré M. GODDARD. « Nous développons des améliorations de la technologie cellulaire pour augmenter la production à 3 MW et augmenter la durée de vie de la pile de cinq à sept ans.

« Nous avons fait cela auparavant », a-t-il ajouté. « Lorsque nous avons commencé à vendre des cellules dans le commerce, un DFC3000 produisait 2 MW, puis 2,4 MW, puis 2,8 MW. Ça a été une évolution générale et le raffinement de la technologie de carbonate ».

« Nous étudions aussi les moyens de développer de nouveaux produits à partir de carbonate – par exemple, nous mettons au point un produit générant également de l’hydrogène, en plus de l’électricité et de la chaleur », a commenté M. LEO. Le produit convertit le gaz naturel en hydrogène à l’intérieur de l’empilement de piles à combustible, produisant de l’hydrogène pur pour une utilisation dans des procédés industriels ou des stations de véhicules d’hydrogène. La société dispose d’un projet de démonstration en CALIFORNIE et d’autres en cours de construction dans le CONNECTICUT et le CANADA.

Un autre projet, soutenu par le Département américain de l’énergie, consiste à utiliser les piles à combustible pour capturer le dioxyde de carbone. M. LEO explique : « les piles à combustible de carbonate ont un cycle de carbone à l’intérieur entre eux si vous envoyez du CO2 dans l’admission d’air, et transférer le gaz combustible que vous pouvez facilement séparer à l’extérieur ».

FUEL CELL ENERGY travaille également sur une prochaine génération de piles à combustible basée sur la technologie d’oxyde solide, « une option intéressante pour les centrales de plus petite taille », explique M. LEO. « L’oxyde solide est plus efficace en raison de la façon dont l’électrode travaille – mais il est difficile de faire des cellules très grandes. Une seule cellule dans une usine d’alimentation de carbonate est de 9000 cm² de surface – mais personne ne sait comment faire des cellules d’oxyde solides et grandes à la fois. Celles que nous faisons sont désormais de 600 cm² ».

« Nous avons intensifié plus que quiconque », a-t-il dit. « Nous espérons pouvoir entrer sur le marché dans quelques années avec des produits en dessous du mégawatt. Le gouvernement américain qui nous finance pour le développement de l’oxyde solide pense que ce projet, dans le long terme, est bon pour les centrales électriques fonctionnant au gaz de charbon ».

La concurrence

Plusieurs autres entreprises de piles à combustible sont actives dans les marchés cibles de FUEL CELL ENERGY. BLOOM ENERGY, basée en CALIFORNIE utilise des piles à combustible à oxyde solide dans ses centrales. ENERGY SERVER 200 kW, a installé des systèmes à TOKYO ainsi que la CALIFORNIE et le CONNECTICUT d’une capacité de 200 kW. La société a formé un joint-venture avec le groupe japonais SOFTBANK pour déployer sa technologie au JAPON.

Un autre concurrent américain, CLEAREDGE POWER a déposé son bilan en mai. Les analystes financiers annoncent que les développeurs de piles à combustible font face à un moment difficile sur le mi-parcours, avec plus de faillites et consolidations attendues. Alors que l’enthousiasme des investisseurs semble intact – comme la récente collecte de fonds de 124 000 000 de dollars et 63 000 000 de dollars par le fabricant d’énergie de piles à combustible PLUG POWER. Les analystes mettent en garde contre « les paries disproportionnés par rapport aux possibilités de revenus à long terme », comme M. COSMIN LASLAU, analyste chez LUX RESEARCH.

M. LEO reste pourtant confiant sur le succès continu de FUEL CELL ENERGY. « Le nôtre est le système le plus économique avec un rendement très élevé », a-t-il annoncé. « Nous sommes les développeurs de piles à combustible avec le plus de succès ».

Marchés d’avenir

Les centrales de pile à combustible carbonate peuvent être utilisées dans une variété de scénarios donnés et une flexibilité de carburant, dit M. LEO. « Un bon nombre de nos unités en Amérique du Nord – en CALIFORNIE en particulier – sont en cours d’exécution sur le biogaz renouvelable ».

« Il y a la possibilité de récupérer le gaz émis par le broyeur d’une usine de traitement des eaux usées, nettoyer le soufre et tout le CO2 afin de les revendre dans le réseau de gaz naturel – certaines personnes le font », poursuit-il. « C’est très cher, particulièrement pour la partie épuration de CO2. Nous pouvons mettre une unité à droite à l’usine du client de sorte qu’ils n’ont pas à frotter sur tout le CO2 et il est moins coûteux pour traiter le gaz ».

Une unité de 2,8 MW en CALIFORNIE est la plus grande centrale à pile à combustible au monde fonctionnant au biogaz renouvelable, dit M. GODDARD. La technologie peut être utile pour les entreprises et les brasseries de transformation des aliments ainsi, il ajoute : « la conversion d’un problème d’élimination des déchets est une source de revenus ».

Le développement futur du marché de l’entreprise est « une question très ouverte », dit M. LEO. « Nous avons réussi en COREE DU SUD, et avons eu du succès dans certains marchés nord-américains, la CALIFORNIE en particulier. Et nous avons ouvert, il y a quelques années, une filiale en ALLEMAGNE, de sorte que nous commençons à aborder le marché européen qui a beaucoup de potentiel et n’avait pas vraiment servi adéquatement dans le passé ».

FUEL CELL ENERGY SOLUTIONS GmbH est un joint-venture entre FUEL CELL ENERGY et FRAUNHOFER IKTS. La société exploite une installation en OTTOBRUN qui assemble des combustibles de centrales cellulaires directes sous mégawatts.

Au ROYAUME-UNI, l’entreprise a installé deux systèmes sous mégawatts dans le centre de LONDRES comprenant une alimentation du siège de la société d’investissement durable d’AL GORE et travaille avec le CROWN ESTATE sur son projet de réaménagement de REGENT STREET. M. LEO a annoncé que la compagnie « poursuit une variété d’applications à grande échelle mégawatt dans toute l’Europe » et « espère pouvoir annoncer bientôt des détails ». Les installations de démonstration pour un bâtiment fédéral du ministère à BERLIN et un client de l’utilitaire en SUISSE « présenteront les potentiels de la technologie » a-t-il expliqué.

Nous travaillons maintenant à l’installation d’applications à grande échelle de classe mégawatts sur place dans l’immédiat et à l’avenir en gardant espoir et en s’attendant à avoir des parcs européens de piles à combustible comme ceux de la COREE DU SUD ».