LA PILE À COMBUSTIBLE ET LA COGÉNÉRATION

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1 LA PILE À COMBUSTIBLE ET LA COGÉNÉRATION Thierry PRIEM Salon de la méthanisation en Lorraine CEA 10 AVRIL 2012 PAGE 1 14 OCTOBRE 2014

2 MÉTHANISATION ET COGÉNÉRATION PAGE 2

3 LE PRINCIPE DE LA COGÉNÉRATION Gaz naturel Reformage si nécessaire + Unité de cogénération Biogaz Cogénération Froid Trigénération Chaleur Electricité Cycle combiné PAGE 3

4 LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE COGÉNÉRATION Moteurs Stirling/Rankine Moteurs à combustion interne Micro turbines Turbines PEMFC SOFC PAFC SOFC Piles à combustible MCFC Maison individuelle Immeuble collectif Quartier Site industriel Micro cogénération Petite cogé Mini cogénération Moyenne cogé Grosse cogénération kwe PAGE 4

5 Rendement thermique % LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE COGÉNÉRATION Moteurs Stirling et cycle de Rankine Moteur Stirling Cycle de Rankine organique Moteur à combustion interne PEMFC PEMFC HT SOFC Moteurs à combustion interne Piles à combustible SOFC 30 Piles à combustible PEMFC Courbe iso rendement total 90 % Rendement électrique % PAGE 5

6 LA COGÉNÉRATION PILE À COMBUSTIBLE RENDEMENT DE CONVERSION Gaz naturel/ biogaz 100 Système de cogénération (pile à combustible PEMFC) η = 90 % Electricité Chaleur Réseau électrique η = 97,5 % Chaudière à gaz η = 90 % 36 Centrale thermique à gaz (cycle combiné) η = 55 % Gaz naturel/biogaz 61 Gaz naturel/biogaz η global = 90 % η global = 71 % PAGE 6

7 LE PRINCIPE DE LA PILE À COMBUSTIBLE Electricité Chaleur PAGE 7

8 LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE PILE À COMBUSTIBLE Type de pile Membrane échangeuse de protons (PEMFC) Méthanol direct (DMFC) Membrane échangeuse de protons HT (HT-PEMFC) Acide phosphorique (PAFC) Alcaline (AFC) Carbonate fondu (MCFC) Oxyde solide (SOFC) Reformage externe Oxyde solide (SOFC) Reformage interne Anode (catalyseur) H 2 2 H e - (Pt) CH 3 OH + H 2 O CO H e - (Pt) H 2 2 H e - (Pt) H 2 2 H e - (Pt) H OH - 2 H 2 O + 2 e - (Pt, Ni) H 2 + CO 3 2- H 2 O + CO e - (Ni + 10 % Cr) H 2 +O 2- H 2 O + 2 e - (Cermet Ni-ZrO 2 ) CH O 2- CO H 2 O + 8 e - (Cermet Ni-ZrO 2 ) Piles à combustible pour la cogénération basse température (< 250 C) Piles à combustible pour la cogénération haute température (> 500 C) Electrolyte Ion conducteur Polymère perfluoré (SO 3- H + ) H + Polymère perfluoré (SO 3- H + ) H + Polybenzimidazole (PBI) + acide phosphorique (90 %) H + PO 4 H 3 ( %) H + KOH (8-12 N) OH - LI 2 CO 3 /K 2 CO 3 /Na 2 CO 3 CO 2-3 ZrO 2 -Y 2 O 3 O 2- ZrO 2 -Y 2 O 3 O 2- Cathode (Catalyseur) ½ O H e - H 2 O (Pt) ½ O H e - H 2 O (Pt) ½ O H e - H 2 O (Pt) ½ O H e - H 2 O (Pt) ½ O 2 + H 2 O + 2 e - 2 OH - (Pt-Au, Ag) ½ O 2 + CO e - CO 3 2- (NiO x + Li) ½ O e - O 2- (Perovskites La x Sr 1-x MnO 3 ) ½ O e - O 2- (Perovskites La x Sr 1-x MnO 3 ) Température C C C C C 650 C C C PAGE 8

9 L ARCHITECTURE D UN STACK PILE À COMBUSTIBLE Couche de diffusion Zone active Membrane Plaque Bipolaire Assemblage Membrane Electrodes AME Hydrogène Cellule Refroidissement Air Module PEMFC FCgen Puissance : 2,4 10,5 kwe Nombre de cellules PAGE 9

10 L ARCHITECTURE D UN SYSTÈME PILE À COMBUSTIBLE Alimentation électrique domestique Convertisseur DC/AC Injection de l électricité sur le réseau Air Filtre Compresseur Système pile à combustible Anode Cathode Post combustion Transformation du combustible H 2 Gaz naturel Biogaz Echangeur thermique Combustible/Hydrogène Air Eau chaude Boucle chaleur (eau) Circuit électrique Réseau de chauffage central Ballon eau chaude Eau chaude sanitaire PAGE 10

11 LE TRAITEMENT DU COMBUSTIBLE O 2 H 2 O H 2 O Biogaz Purification désulfuration CH 4 Vaporeformage H 2 + CO + CO 2 Conversion du CO (Water gas shift reaction) H 2 + CO + CO 2 Oxydation préférentielle H 2 Unité de purification du combustible Unité de production d hydrogène PAGE 11

12 L ARCHITECTURE D UN SYSTÈME PILE À COMBUSTIBLE DE MICRO-COGÉNÉRATION Convertisseur électrique Echangeur thermique Module pile à combustible PEMFC Catalyseur oxydation préférentielle Etage purification CO Gaz naturel Eau froide Etage shift CO Eau chaude Etage reformage Unité stockage Unité Pile eau chaude à combustible Air Catalyseur reformage Electricité Module transformation du combustible PAGE 12

13 EXEMPLES DE SYSTÈMES PILE À COMBUSTIBLE DE MICRO-COGÉNÉRATION Gamma Premio 1 kwe Rendement électrique (PCI) = 34 % Rendement thermique (PCI) = 62 % Rendement total (PCI) = 96 % Ene-Farm We Rendement électrique (PCI) = 39 % Rendement thermique (PCI) = 56 % Rendement total (PCI) = 95 % BlueGen 1,5 kwe Rendement électrique (PCI) = 60 % Rendement thermique (PCI) = 25 % Rendement total (PCI) = 85 % PAGE 13

14 Rendement (%) RENDEMENT ÉNERGÉTIQUE D UN SYSTÈME PILE À COMBUSTIBLE DE MICRO-COGÉNÉRATION Rendements du système BlueGEN (température de retour 30 C) Puissance électrique fournie (W) Rendement électrique Rendement thermique Rendement total PAGE 14

15 LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE 1 Transformation du gaz naturel en hydrogène 2 Module pile à combustible PAFC 3 Convertisseur électrique DC/AC Système PureCell Model kwe Rendement électrique (PCI) = 41 % Rendement thermique (PCI) = 49 % Rendement total (PCI) = 90 % 4 Gestion de la chaleur utile par échangeurs thermiques PAGE 15

16 LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE Equipements auxiliaires mécaniques Module pile à combustible (4 stacks) Unité DFC3000 Equipements auxiliaires électriques 2,8 MWe Rendement électrique (PCI) = 47 % Rendement thermique (PCI) = 43 % Rendement total (PCI) = 90 % Module pile à combustible (4 stacks) Cellule et stack MCFC PAGE 16

17 LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE La plus grande installation pile à combustible au monde 59 MW à Hwasung City, Corée du Sud 21 unités DFC3000 de 2,8 MW chacune PAGE 17

18 LE CYCLE COMBINÉ - PRINCIPE Cogénération classique Cycle combiné avec postcombustion et turbine à gaz Cycle combiné avec postcombustion et turbine à gaz + turbine à vapeur PAGE 18

19 LE CYCLE COMBINÉ Micro turbine à gaz Unité SOFC Cellule SOFC tubulaire Cartouche Module SOFC Installation cycle combiné SOFC/Micro turbine à gaz Unité SOFC Micro turbine à gaz Système de 200 kw : cycle combiné avec unité de cogénération SOFC η el = 52,1% PAGE 19

20 AVANTAGES DES TECHNOLOGIES PILE À COMBUSTIBLE La réduction des gaz à effet de serre et les économies d énergie Les piles à combustible permettent de générer un courant électrique de façon continue avec des rendements élevés : Le rendement électrique atteint actuellement les 35 à 45 % et peut atteindre 70 % lors du couplage d une pile haute-température avec une turbine à gaz et/ou turbine à vapeur (cycle combiné). Le rendement total (électrique + thermique) est aujourd hui de l ordre de 85 à 95 %. Les piles à combustible contribuent ainsi aux économies d énergie et participent à la réduction des émissions de CO 2 Grande flexibilité au niveau du combustible : gaz naturel, biogaz, gaz de synthèse, GPL, hydrogène La protection de l air Une pile à combustible, fonctionnant avec de l hydrogène pur ou du gaz naturel, ne rejette ni oxydes de soufre ni particules Lorsque l hydrogène est obtenu à partir de gaz naturel ou de biogaz, une pile à combustible ne rejette que Des quantités infimes de NO x et de CO (< 20 mg/kwh) PAGE 20

21 AVANTAGES DES TECHNOLOGIES PILE À COMBUSTIBLE La limitation des nuisances sonores Le processus électrochimique de la pile ne génère pas de bruit Seuls les systèmes auxiliaires (ventilation, circulateurs ) engendrent un bruit faible Une utilisation et maintenance limitée modulation de la puissance électrique de 30 à 100% de la puissance nominale Suivi de la charge électrique du logement (1 à 2 W/s) Peu de pièces mécaniques en mouvement comparé aux autres technologies (pas de moteur ni turbine) Durée de vie actuelle de à h soit plus de 10 ans Tenue aux cycles de marche/arrêt : > cycles (PEM) et > 300 (SOFC) Temps de démarrage à froid 1,5 h (immédiat à chaud) PAGE 21

22 Ventes annuelles d unités de micro-cogénération LE MARCHÉ DE LA PILE À COMBUSTIBLE POUR LA MICRO-COGÉNÉRATION SOFC Moteur Stirling PEMFC Moteur à combustion interne % 80% 60% Ventes cumulées 40% 20% 0% Déploiement du moteur à combustion interne 2 3 Lancement Lancement du moteur de la PEMFC Stirling en au Japon Europe 4 Lancement de la SOFC au Japon PAGE 22

23 LE MARCHÉ DE LA PILE À COMBUSTIBLE POUR LA MICRO-COGÉNÉRATION AU JAPON PAGE 23

24 MERCI DE VOTRE ATTENTION PAGE 24 CEA 10 AVRIL 2012 Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Grenoble Grenoble Cedex 9 T. +33 (0) (0) DRT LITEN Direction Scientifique Etablissement public à caractère industriel et commercial RCS Paris B