Pile à combustible  – efficacité énergétique assortie d’un programme de protection de l’environnement

Courant, chaleur et eau comme produit de la pile à combustible

Dans la pile à combustible, l’hydrogène réagit avec l’oxygène. Cette réaction produit de l’électricité, de la chaleur et de l’eau. L’électricité est conduite sous forme de courant continu hors de la pile à combustible dans l’inverseur. Le courant continu y est transformé en courant alternatif et ainsi rendu exploitable pour le récepteur. Via un échangeur de chaleur, la chaleur est libérée dans un réservoir tampon d’eau de chauffage et utilisée pour la production d’eau chaude sanitaire ou pour chauffer le circuit de chauffage.

Technologie de pile à combustible

Technologie de pile à combustible

Hydrogène et oxygène sont les substances permettant de produire du courant et de la chaleur à l’aide d'une pile à combustible. La base de cette combustion dite « froide » est la réaction chimique des deux éléments.

L’hydrogène est amené sur l’anode et divisé par un catalyseur en ions positifs et électrons négatifs. Les électrons se déplacent jusqu’à la cathode via un conducteur électrique, ce qui produit un courant électrique.

Simultanément, les ions d’hydrogène chargés positivement accèdent à la cathode, où ils réagissent avec l'oxygène et se combinent pour former de l’eau. De la chaleur est ainsi dégagée, qui peut être utilisée.

Gaz naturel : Partenaire idéal de la pile à combustible

L’énergie de la pile à combustible est apportée par l’hydrogène. L’hydrogène est présent massivement dans la nature, mais pas sous forme pure. En sa qualité de combustible fossile le plus faible en émissions, le gaz naturel convient parfaitement pour produire de l’hydrogène pur. Dans un premier temps, les liaisons de soufre sont séparées. Ensuite, un reformeur couplé en amont transforme le gaz naturel en hydrogène et en dioxyde de carbone à l’aide d’un catalyseur. Dans une purification de gaz placée en aval, l’oxyde de carbone est transformé en dioxyde de carbone.

Selon les besoins, du gaz E comme du gaz LL peuvent être utilisés.


Présentation du système de pile à combustible dans une maison unifamiliale

Pile à combustible dans une maison unifamiliale

[1] Module à pile à combustible
[2] Chaudière de charge de pointe
[3] Système fumées/air fourni
[4] Compteur électrique intégré
[5] Interface de communication
[6] Compteur électrique (bidirectionnel)
[7] Réseau électrique dans la maison
[8] Réseau de distribution électrique public
[9] Internet
[10] Application Vitotrol
[11] Gaz naturel E
[12] Eau

Mode de fonctionnement au cours de la journée

La majeure partie de la journée, la production d’électricité tirée de la chaudière à pile à combustible suffit à couvrir les besoins. Ce n’est qu’en période de pointe que de l’électricité doit être prélevée du réseau public. En revanche, pendant la nuit, l’électricité excédentaire est réinjectée dans le réseau et rémunérée. La chaudière à pile à combustible permet donc à celui qui l’exploite de ne plus dépendre d'une hausse des prix de l’électricité.


Pile à combustible – mode de fonctionnement matin

Matin

Les besoins augmentent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe fournit de la chaleur supplémentaire

Pile à combustible – mode de fonctionnement matin

Matin

Les besoins diminuent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe s’arrête


Pile à combustible – mode de fonctionnement midi

Midi

Les besoins augmentent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe fournit de la chaleur supplémentaire

Pile à combustible – mode de fonctionnement midi

Midi

Les besoins diminuent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe s’arrête


Pile à combustible – mode de fonctionnement soir

Soir

Les besoins augmentent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe fournit de la chaleur supplémentaire, davantage de courant est prélevé du réseau

Pile à combustible – mode de fonctionnement soir

Soir

Les besoins diminuent : La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, la chaudière de charge de pointe s’arrête, du courant est injecté


Pile à combustible – mode de fonctionnement nuit

Nuit

La pile à combustible produit de la chaleur et du courant, l’excédent de courant est injecté


Connaissances élémentaires sur l’hydrogène

Production d’énergie avec la pile à combustible PEM


L’hydrogène...

●  est une source d’énergie possédant la plus haute densité énergétique rapportée à son poids
●  est un élément chimique dont le symbole est H
●  consiste en un proton et un électron
●  possède le nombre atomique 1 (décrit le nombre de protons dans le noyau atomique d’un élément chimique – raison pour laquelle il est aussi appelé nombre de protons)
●  est l’élément chimique le plus fréquent dans l’univers
● ne produit pas de CO2, car H2 ne contient pas de carbone

L’hydrogène – le combustible sous-estimé

Dans notre quotidien, l’hydrogène est quasi inconnu. Le H2 fait au contraire l’objet de nombreux préjugés, le plus souvent dus à l’ignorance ou à des informations erronées. L’argument souvent répandu est que l’hydrogène n’est pas fiable et ne peut pas être stocké de manière durable.

Différence par rapport aux autres combustibles

Et pourtant, l’H2 est un composant de l’eau (H2O) et de la quasi-totalité de toutes les liaisons organiques. En tant que combustible, il possède toutefois, par rapport à bon nombre d’autres sources d’énergie, de nombreux avantages.

L’hydrogène

●  ne s’enflamme pas spontanément
●  ne se décompose pas (comme par ex. l’acétylène)
●  ne s’oxyde pas et n’est dès lors pas un accélérateur de feu
●  n’est pas toxique, corrosif ou radioactif
●  est inodore
●  ne pollue pas l’eau
●  ne nuit ni à la nature, ni à l’environnement
●  n’est pas cancérogène
●  brûle sans laisser de résidus

Comparaison avec d’autres carburants

Contrairement à l’essence ou au gaz de pétrole liquéfié, l’hydrogène est, à l’instar du méthane, plus léger que l’air. De tous les combustibles, c’est celui qui a la densité énergétique la plus élevée – 33,33 kWh/kg – (rapportée à la masse ; méthane : 13,9 kWh/kg, essence : 12 kWh/kg) et, avec 3,0 kWh/Nm3, une des densités énergétique les plus faibles (rapportée au volume ; méthane : 9,97 kWh/Nm3, essence : 8 800 kWh/m3).

Par ces propriétés, l’hydrogène se distingue nettement des hydrocarbures liquides et du gaz naturel ou du méthane.

Station-service d’hydrogène à Hambourg

Hydrogène – sûr, propre, fiable

Dans les prochaines années, l’hydrogène est amené à jouer un rôle toujours plus important en tant que carburant dans la circulation routière et en tant que fluide accumulateur dans l’approvisionnement énergétique.

Dès aujourd’hui, les piles à combustible dans les véhicules sont très souvent propulsées par de l’hydrogène. Par exemple dans les transports publics pour le trafic à courte distance. Jusqu'à présent, aucun incident n’a jamais été déploré.

Par ailleurs, de l’hydrogène produit pas électrolyse est incorporé à du gaz naturel et injecté dans le réseau de gaz naturel (Power to Gas).

L’hydrogène est sûr – il n’explose pas de lui-même. Pour qu’une explosion se produise, il faut la présence supplémentaire d’un oxydant (par ex. de l’air ou de l’oxygène pur) et une source d’allumage (limite d’inflammabilité dans l’air : 4 à 75 pour cent volumétrique).

Diffusion de l’hydrogène

Depuis un siècle déjà, l’hydrogène est entreposé et transporté sans problème dans des bouteilles en acier. Certes, les taux de diffusion avec les matériaux composites modernes pour réservoirs d’hydrogène sont un peu plus élevés que pour les équivalents en métal – la valeur est toutefois négligeable. Ces systèmes de réservoir n’obtiendraient sinon aucune autorisation.

Figure : Station-service à Hambourg – les transports en commun de la ville font appel à un grand nombre de bus propulsés par pile à combustible.

Photo : Compagnie de transports publics Hamburger Hochbahn

L’utilisation en série des piles à combustible

En tant qu’appareil de chauffage, la pile à combustible constitue un système éprouvé offrant une grande fiabilité d’utilisation. Rien qu’au Japon, depuis 2009, plus de 123 000 appareils (situation 01/2015) de différents fabricants ont été vendus pour des applications fixes.

À côté de cela, des piles à combustible fournissent de l’énergie pour propulser des véhicules et des navires, et alimentent en électricité l’aviation et la navigation spatiale. D’autres domaines d’application sont les téléphones mobiles (batteries), la gestion du trafic, la sécurité et la surveillance, l’énergie éolienne et les télécommunications. On trouve également des piles à combustible dans le secteur des loisirs pour l’alimentation en électricité (par ex. dans les motorhomes, les voiliers, les maisons de vacances et les refuges).


Panorama des technologies à pile à combustible

Les piles à combustible PEM (piles à combustible à membrane échangeuse de protons = PEMFC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Dans le cas des piles à combustibles PEM, l’électrolyte consiste en une membrane en matière synthétique qui laisse uniquement passer les protons. La pile à combustible PEM n’est pas d’une utilisation compliquée, car elle se contente d’oxygène atmosphérique. Elle ne nécessite aucun filtre ni processus de nettoyage coûteux. La pile à combustible PEM peut être utilisée de manière fixe et mobile. En raison de la faible température du système, l’exploitation de cette pile à combustible est flexible et autorise des allumages et extinctions fréquents.

Pile à combustible à méthanol direct (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell)

La pile DMFC est une évolution de la pile PEM. Au lieu de l’hydrogène, elle utilise du méthanol. Parce que le méthanol peut être stocké et transporté de manière similaire à l’essence, cette pile convient également pour une utilisation dans des véhicules, ainsi que pour les alimentations en électricité portatives et pour remplacer des batteries.

La pile à combustible à oxyde solide (SOFC = Solid Oxid Fuel Cell)

La pile à combustible à oxyde solide est entièrement constituée de substances solides. Une céramique est utilisée comme électrolyte. La pile à combustible à oxyde solide peut être utilisée avec du gaz naturel sans traitement de gaz coûteux. Une caractéristique des piles à combustible à oxyde solide est leurs longues phases de chauffe ainsi que les périodes de fonctionnement prolongées car, du fait de leur température plus élevée, elles supportent uniquement un nombre limité de cycles de démarrage-arrêt sur leur durée de vie. La SOFC convient donc aux applications qui autorisent un fonctionnement presque permanent.

Pile à combustible alcaline (AFC = Alkaline Fuel Cell)

La pile à combustible alcaline compte parmi les types de piles à combustible les plus anciens. Le nettoyage des gaz de réaction d’hydrogène et d'oxygène nécessite un investissement extrêmement élevé. Cette technique fut à l’origine utilisée majoritairement en navigation spatiale – sa production fut cependant déjà largement suspendue au début des années 1970.

Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC = Phosphor Acid Fuel Cell)

La PAFC est une pile à combustible développée pour les grandes centrales de cogénération et les fournisseurs d’énergie. Le gaz combustible nécessaire à son fonctionnement est obtenu à partir de gaz naturel. L’oxygène provient directement de l’air.

Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell)

La pile à combustible à carbonate produit des températures de 650 °C et permet une utilisation optimale de la chaleur dégagée. La pile MCFC est exploitée directement avec du gaz naturel et de l’oxygène atmosphérique. Elle est principalement utilisée dans les grandes centrales électriques des fournisseurs d’énergie.