LA PILE À COMBUSTIBLE ET LA COGÉNÉRATION Thierry PRIEM Salon de la méthanisation en Lorraine CEA 10 AVRIL 2012 PAGE 1 14 OCTOBRE 2014
MÉTHANISATION ET COGÉNÉRATION PAGE 2
LE PRINCIPE DE LA COGÉNÉRATION Gaz naturel Reformage si nécessaire + Unité de cogénération Biogaz Cogénération Froid Trigénération Chaleur Electricité Cycle combiné PAGE 3
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 10 50 100 250 500 1000 Grosse cogénération kwe PAGE 4
Rendement thermique % LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE COGÉNÉRATION 100 90 80 70 60 Moteurs Stirling et cycle de Rankine Moteur Stirling Cycle de Rankine organique Moteur à combustion interne PEMFC PEMFC HT SOFC 50 40 Moteurs à combustion interne Piles à combustible SOFC 30 Piles à combustible PEMFC 20 10 Courbe iso rendement total 90 % 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Rendement électrique % PAGE 5
LA COGÉNÉRATION PILE À COMBUSTIBLE RENDEMENT DE CONVERSION Gaz naturel/ biogaz 100 Système de cogénération (pile à combustible PEMFC) η = 90 % Electricité 35 35 55 55 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 65 126 η global = 90 % η global = 71 % PAGE 6
LE PRINCIPE DE LA PILE À COMBUSTIBLE Electricité Chaleur PAGE 7
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 + + 2 e - (Pt) CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6 H + + 6 e - (Pt) H 2 2 H + + 2 e - (Pt) H 2 2 H + + 2 e - (Pt) H 2 + 2 OH - 2 H 2 O + 2 e - (Pt, Ni) H 2 + CO 3 2- H 2 O + CO 2 + 2 e - (Ni + 10 % Cr) H 2 +O 2- H 2 O + 2 e - (Cermet Ni-ZrO 2 ) CH 4 + 4 O 2- CO 2 + 2 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 (85-100 %) 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 2 + 2 H + + 2 e - H 2 O (Pt) ½ O 2 + 2 H + + 2 e - H 2 O (Pt) ½ O 2 + 2 H + + 2 e - H 2 O (Pt) ½ O 2 + 2 H + + 2 e - H 2 O (Pt) ½ O 2 + H 2 O + 2 e - 2 OH - (Pt-Au, Ag) ½ O 2 + CO 2 + 2 e - CO 3 2- (NiO x + Li) ½ O 2 + 2 e - O 2- (Perovskites La x Sr 1-x MnO 3 ) ½ O 2 + 2 e - O 2- (Perovskites La x Sr 1-x MnO 3 ) Température 70-90 C 60-80 C 150 180 C 160-220 C 50-250 C 650 C 750-1000 C 750-1000 C PAGE 8
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 27-120 PAGE 9
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
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
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
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 2013 750 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
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
LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE 1 Transformation du gaz naturel en hydrogène 2 Module pile à combustible PAFC 3 Convertisseur électrique DC/AC Système PureCell Model 400 440 kwe Rendement électrique (PCI) = 41 % Rendement thermique (PCI) = 49 % Rendement total (PCI) = 90 % 4 Gestion de la chaleur utile par échangeurs thermiques PAGE 15
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
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
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
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
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
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 40 000 à 60 000 h soit plus de 10 ans Tenue aux cycles de marche/arrêt : > 4 000 cycles (PEM) et > 300 (SOFC) Temps de démarrage à froid 1,5 h (immédiat à chaud) PAGE 21
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 1 2 3 4 100% 80% 60% Ventes cumulées 40% 20% 0% 2009 2010 2011 2012 1 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
LE MARCHÉ DE LA PILE À COMBUSTIBLE POUR LA MICRO-COGÉNÉRATION AU JAPON PAGE 23
MERCI DE VOTRE ATTENTION PAGE 24 CEA 10 AVRIL 2012 Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Grenoble 38054 Grenoble Cedex 9 T. +33 (0)4 38 78 55 36 +33 (0)6 75 09 68 06 DRT LITEN Direction Scientifique Etablissement public à caractère industriel et commercial RCS Paris B 775 685 019