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Micro-cogénération avec pile à combustible

Venue du Japon, la technologie de micro-cogénération avec pile à combustible est en train de commencer à pénétrer le marché du chauffage individuel.

Historiquement, les systèmes de chauffage à haut rendement énergétique se sont fortement développés ces dernières années via des politiques de subventions. La microCHP ne fait pas exception à cette règle car les programmes de recherche ont été fortement subventionnés par le gouvernement japonais dans les années 2000.

En Europe, les particuliers ont ainsi été incités à rénover leur chaudière en choisissant par exemple une chaudière à condensation, qui permet de récupérer une très grande partie de l’énergie évacuée par les fumées de combustion. Le rendement thermique de ce type de chaudière est ainsi proche de 90%.

Cependant, de nouvelles alternatives sont apparues qui répondent mieux aux demandes énergétiques de l’habitation individuelle : il s’agit des centrales de micro-cogénération (micro-CHP, Combined Heat and Power). Dans ce secteur, les technologies les plus évoluées sont celles des micro-cogénérations avec pile à combustible qui font l’objet de cet article.

Voici le sommaire (vous pouvez cliquer sur les liens pour descendre directement à la partie qui vous intéresse) :

Fonctionnement global des microCHP

La micro-cogénération est une technologie qui offre l’avantage de produire à la fois l’électricité et la chaleur nécessaires pour le foyer.

Centrale de cogénération de l'université cornell

Ces technologies de micro-CHP fonctionnent traditionnellement avec un moteur brûlant un combustible fossile tel que le gaz naturel (et plus rarement le fioul).

La combustion de cette énergie primaire dans un moteur à piston ou moteur Stirling dégage de la chaleur, canalisée par le liquide de refroidissement, et utilisée pour le chauffage de l’habitation.

L’énergie mécanique du moteur est convertie en énergie électrique via une génératrice.

Certaines centrales de micro-cogé peuvent également être alimentées en granulés de bois. Dans tous les cas, l’énergie électrique produite peut ainsi être utilisée pour alimenter l’habitation.

Récemment, un nouveau type de centrale de micro-cogénération est apparu sur le marché asiatique.

Il s’agit de centrales micro-cogénération à pile à combustible. De par ses hauts rendements, cette technologie suscite un fort intérêt des consommateurs, des sociétés de production d’énergie et des pouvoirs publics.

En effet, alors que les centrales de micro-cogénération classiques, à moteur à pistons ou moteur Stirling, convertissent environ 25% de l’énergie initiale en électricité, les piles à combustible permettent elles de convertir jusqu’à 40% de l’énergie initiale en électricité – et cette performance peut encore s’améliorer avec la R&D.

Ce meilleur rendement de conversion électrique est d’autant plus intéressant que les nouvelles réglementations thermiques dans le bâtiment ont récemment imposé un degré d’isolation élevé pour les logements neufs.

Les besoins en chaleur ont ainsi progressivement diminué. Conjointement, le développement des nouvelles technologies (smart phone, tablettes, voitures électrique, etc.) a augmenté la consommation électrique des bâtiments.

Les centrales de micro-cogénération à pile à combustible sont ainsi devenues des technologies de plus en plus pertinentes dans le contexte où les besoins de l’habitat en chauffage diminue et ses besoins en électricité augmentent.

Photo : Centrale de cogénération de l’université de Cornell (crédit: Cornell University)

Principe de fonctionnement de la pile à combustible

Le principe de fonctionnement de la pile à combustible a été découvert au début du 19ème siècle.

Il repose sur le principe inverse de l’électrolyse : la recombinaison de l’oxygène (O2) et de l’hydrogène (H2) pour former de l’eau (H2O) par une réaction d’oxydoréduction :

Centrale de micro-cogénération avec pile à combustible

Centrale de micro-cogénération avec pile à combustible (Crédit: Toshiba)

Ces deux réactions se produisent au cœur de la pile, au niveau de deux électrodes baignant dans un électrolyte.

Ces électrodes permettent d’absorber les électrons (e-) et de les guider de l’anode vers la cathode au travers d’une charge électrique.

Le rendement de production d’électricité par ce processus est très avantageux par rapport à la production classique par combustion d’une d’énergie fossile.

En effet, la pile à combustible convertit directement l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité. Cette réaction nécessite cependant la présence d’un catalyseur afin d’augmenter la vitesse de recombinaison de l’eau.

Le catalyseur utilisé est le platine ; son coût relativement élevé a été le principal frein au développement des piles à combustible.

La réaction de recombinaison se produisant au cœur de la pile est exothermique : elle génère de la chaleur, qui est ensuite dissipée au travers du système de refroidissement de la pile.

Dans le cadre de la micro cogénération, l’hydrogène est préalablement obtenu à partir du combustible fossile ou biogaz. L’énergie absorbée par le circuit de refroidissement est ensuite utilisée pour le chauffage du bâtiment ou de l’eau chaude sanitaire.

L’élément central de la pile à combustible est la membrane qui sépare les deux électrodes. Différentes technologies de pile à combustible existent selon le type de membrane utilisée.

Dans le cas des micro-CHP, deux principaux types de pile à combustible se distinguent :

  • la pile à membrane échangeuse de proton.
    Elle permet le passage des ions H+ de l’anode vers la cathode (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
  • la pile à oxyde solide.
    Elle permet la migration des ions O2- de la cathode vers l’anode (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell).

Les piles PEMFC fonctionnent à une température inférieure à 250°C, les SOFC à une température supérieure à 250°C. Les électrodes sont généralement réalisées en céramique, partiellement recouverte de platine, catalyseur de la réaction d’oxydoréduction.

La tension à vide aux bornes d’un module composé des électrodes et de la membrane est de 1,23 V.

Différents modules sont donc associés en série et en parallèle, de manière à obtenir une pile fonctionnant à une tension plus élevée.

La pile PEMFC

fonctionnement-pile-combustibleLa pile à combustible de type PEMFC est utilisée pour des applications stationnaires et mobiles. Dans le cadre de la micro-cogénération, ce type de cellule est modifié de manière à réduire sa sensibilité à la pureté initiale de l’hydrogène.

Grâce à des catalyseurs à base d’alliages métalliques, elle peut tolérer un réactif composé de dioxyde de carbone (CO2), de méthane (CH4) et de diazote (N2).

De plus, son fonctionnement à basse température permet un démarrage rapide et une alternance de cycles de fonctionnement et d’arrêt.

Ce type de technologie limite fortement la corrosion et la détérioration des électrodes, de la membrane et de l’électrolyte. La durée de vie de ce type de pile est généralement supérieure à 40 000h.

Les rendements électriques atteignables pour une chaudière individuelle sont de l’ordre de 30 à 40%. Les catalyseurs à base de platine représentent un coût non négligeable du dispositif. La température de fonctionnement, relativement basse (80 à 120°C), rend délicate la récupération d’énergie dans un système de cogénération.

Cette température de fonctionnement est limitée par la membrane échangeuse de proton, qui se dégrade rapidement à des températures supérieures.

Les industriels essayent actuellement de mettre au point des membranes à base d’acide phosphorique, qui permettraient de l’augmenter à 180°C. Ce nouveau type de membrane n’a cependant pas encore une durée de vie équivalente aux précédentes.

La pile SOFC

La pile à combustible de type SOFC présente l’avantage de fonctionner à haute température.

Trois technologies SOFC se distinguent selon le mode d’assemblage des différents éléments.

Tubulaire

La technologie tubulaire est généralement celle utilisée dans le cadre des applications de micro-cogénération. Elle a la particularité d’injecter directement le réactif initial via une structure tubulaire au cœur de la pile.

La paroi de ces tubes est composée de trois couches distinctes : une première électrode à l’intérieur du tube, où l’hydrogène s’oxyde et cède des électrons (anode), un électrolyte et une seconde électrode à l’extérieur du tube, où l’oxygène de l’air ambiant se réduit et absorbe les électrons (cathode).

Ces différents tubes sont agencés en série ou parallèle de manière à produire le courant et la tension désirés.

Ce type d’agencement nécessite un volume disponible important et possède donc une faible densité de puissance.

Planaire

La technologie de type planaire permet de pallier à cette faible densité de puissance. L’architecture développée est très similaire à celle des piles de type PEMFC.

Différents modules plans composés des électrodes, de l’électrolyte et d’un réseau d’acheminement des réactifs sont empilés pour former un dispositif compact.

La structure plane des électrodes céramiques les rend cependant plus fragiles et plus sensibles aux variations de température.

Ainsi, elles permettent difficilement un fonctionnement cyclique, c’est-à-dire d’alternance de phases de fonctionnement et de phases d’arrêt.

Semi-tubulaire

La technologie de type semi tubulaire a été développée de manière à concilier les avantages et les inconvénients des deux technologies précédentes.

Les cellules sont constituées d’un élément plan dans lequel différents canaux permettent le passage de l’hydrogène.

 Elles concentrent ainsi la robustesse des cellules tubulaires et la facilité d’intégration des cellules planes.

Micro-Cogénération avec pile à combustible

Lorsqu’elle est intégrée à une centrale de cogénération, la pile à combustible nécessite différents éléments périphériques indispensable à son fonctionnement.

Il est par exemple nécessaire de s’assurer de la qualité des réactifs, de la bonne gestion du circuit de refroidissement et des émissions de polluant.

De plus, le système de chauffage et de production de l’électricité doit être régulé en fonction des demandes de l’habitation et des saisons.

Transformation du combustible

combustibleIl a été observé précédemment que la pile à combustible nécessitait de l’hydrogène pour fonctionner.

Or, dans majeure partie des applications de cogénération, l’hydrogène n’est pas accessible.

Celui-ci est donc directement produit dans la centrale CHP à partir d’une énergie fossile (gaz naturel ou GPL) ou à partir de biomasse (biogaz).

Les principales centrales de micro-cogénération avec pile à combustible actuellement commercialisées utilisent le gaz naturel pour produire l’hydrogène. Cette production est réalisée au cours d’une réaction de reformage.

Cependant l’hydrogène produit doit être d’une très grande pureté afin de ne pas encrasser les électrodes de la pile, ce qui diminuerait sa durée de fonctionnement.

La première étape consiste à purifier le gaz naturel avant de débuter la production d’hydrogène. Pour cela, le gaz naturel passe tout d’abord dans un premier module de désulfuration.

Le souffre est en effet un composant néfaste pour les différents catalyseurs présents dans l’unité de reformage et dans la pile à combustible. Cette unité de désulfurisation permet en pratique de retirer les composés odorants présents dans le réseau du gaz de ville.

 Dans les centrales CHP, cette opération de désulfurisation s’effectue généralement dans des filtres sous forme de cartouches remplaçables, adaptées aux différents composants à piéger.

La seconde étape consiste à produire l’hydrogène par les deux réactions de reformage du gaz naturel en présence de vapeur d’eau :

La seconde réaction conduit à la production d’environ 10% de monoxyde de carbone (CO) qu’il est nécessaire de neutraliser.

Dans le cadre des piles à combustible fonctionnant à basse température comme les PEMCF, il est indispensable de fortement réduire cette teneur de CO du carburant afin de limiter la dégradation du catalyseur.

Pour ce type de pile, la part du CO dans le combustible doit impérativement être inférieure à 10 ppm, c’est-à-dire inférieure à 0,001% du combustible.

Une première étape consiste à faire réagir le monoxyde de carbone avec la vapeur d’eau pour produire de l’hydrogène et du dioxyde de carbone. Cette réaction, dite de Dussan (ou réaction du gaz à l’eau), permet d’abaisser la teneur en CO à 1%.

Une seconde étape en présence d’oxygène permet de transformer le CO en CO2, par un processus d’oxydation préférentielle. La teneur résiduelle en CO du carburant est ainsi réduite à une valeur inférieure à 10ppm, ce qui est compatible avec les piles de type PEMCF.

Dans le cas des piles de type SOFC, les températures élevées qui règnent dans le dispositif permettent une réaction de reformage directement au niveau des électrodes car la température est généralement supérieure à 800°C.

Il n’est alors pas nécessaire d’ajouter un dispositif de reformage de l’hydrogène. Les températures élevées qui règnent au sein de ce type de pile, la rende moins sensible à la présence du CO dans le réactif.

Il n’est alors pas nécessaire d’ajouter un module de purification du combustible. Ainsi, le gaz naturel peut être directement introduit dans la pile.

La technologie de type SOFC est donc préférée pour les micro-CHP puisque l’absence de dispositif de traitement du combustible permet une réduction significative de son coût par rapport aux piles de type PEMCF.

Cependant, lors des phases d’arrêt et de redémarrage des piles SOFC, la baisse ou la montée en température de la pile peut avoir des effets néfastes sur les électrodes, avec par exemple le dépôt de carbone à la surface de celles-ci. Il convient alors de limiter les phases de fonctionnement cyclique de la pile, au risque de réduire sa durée de vie.

En sortie de la pile à combustible, les gaz produits par la réaction d’oxydoréduction sont généralement guidés dans une chambre de postcombustion de manière bruler les dernières traces d’hydrogène.

Il s’agit d’une source de chaleur non négligeable qui peut facilement être récupérée et exploitée par le système de cogénération.

Production électrique

production-electriqueL’électricité produite par la pile à combustible doit nécessairement être convertie en courant alternatif afin d’être raccordée au réseau et utilisée pour les besoins de l’habitation.

Cette conversion s’effectue par un onduleur. Il convient de choisir avec précision ce type de composant électronique de puissance.

Dans le cadre des micro-CHP, l’électricité produite par la pile à combustible est généralement auto-consommée par l’habitation. Cependant, la pile à combustible ne peut pas entièrement se substituer au réseau électrique.

En effet, la puissance électrique en sortie de la pile est difficilement modulable. Les dernières centrales micro-CHP installées permettent une modulation allant de 30 à 100% de la puissance nominale avec une rampe de 1 à 2W par seconde.

Il est donc impossible pour ces centrales de micro-cogénération de s’adapter à une forte demande de courant ponctuelle que nécessite par exemple un four électrique ou un sèche-linge.

C’est la raison pour laquelle les centrales micro-cogénération avec pile à combustible sont généralement dimensionnées de manière à couvrir les besoins électriques de base de l’habitation. Avec une puissance électrique installée comprise entre 500 et 1000W, une centrale micro-CHP peut très bien répondre à la charge électrique de base de l’habitation, c’est-à-dire alimenter par exemple la VMC, le réfrigérateur, la box internet et les appareils en veille.

Le réseau électrique vient alors en complément pour répondre aux besoins ponctuels.

Production de chaleur

production-chaleur:bénéfice-collatéral-microCHP pile à combustibleLa régulation de la température de la pile à combustible est un élément clé de l’optimisation de la micro-CHP.

En effet la température du système influence directement le point de fonctionnement de la pile et son rendement énergétique.

Les systèmes de refroidissement de la pile à combustible et du module de postcombustion sont précisément régulés et reliés à différents échangeurs situés dans le ballon d’eau chaude de l’habitation.

Le système de production de chaleur dépendant fortement de la puissance électrique produite par la pile, les chauffagistes recommandent généralement d’installer un module de chauffage d’appoint pour pallier aux fortes demandes de chauffage et d’eau chaude sanitaire.

Conclusion

Les micro-CHP à pile à combustible sont de très bonnes alternatives aux solutions de cogénération traditionnelles.

En effet, elles sont tout d’abord une solution de cogénération adaptée aux récentes évolutions des besoins énergétiques dans le bâtiment. Les nouvelles normes relatives à l’isolation des bâtiments ont en effet fortement diminué leurs besoins de chaleur.

De plus, le rendement électrique offert par une centrale de micro-cogénération basée sur une pile à combustible est bien meilleur que celui d’une cogénération classique par moteur à combustion interne.

Il peut également être noté que l’absence de pièces en mouvement réduit frottement la maintenance nécessaire au bon fonctionnement de la chaudière. D’un point de vue environnemental, les émissions de la pile en oxyde, souffre, NOx, CO et particules sont très faibles et largement inférieures à celles des moteurs à combustion internes.

De même, les émissions sonores sont très limitées. Enfin la production locale d’énergie permet de s’affranchir du réseau électrique en cas de panne de ce dernier.

Malgré des tarifs en baisse, et des coûts qui tendent de plus en plus à converger (installation comprise) avec ceux d’une chaudière à condensation, force est de constater la pénétration limitée du marché européen par ce type de centrale de micro-cogénération. Au Japon, 150 000 unités y sont déjà installées à ce jour et il s’en vend plus de 40 000 par an. La réputation et la fiabilité des micro-CHP à pile à combustible n’est plus à établir.  A quand son développement en Europe?