Tout savoir sur la pile à combustible

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La pile à combustible – l'efficacité énergétique alliée à la protection de l'environnement

Une pile à combustible est une installation de chauffage qui utilise le principe fonctionnel de la production combinée de chaleur et d'électricité. Cela signifie qu'elle produit à la fois de l'électricité et de la chaleur. Pour cette production d'électricité et de chaleur, la pile à combustible a besoin d'oxygène et d'hydrogène. Ce dernier est d'abord obtenu à partir du gaz naturel, puis converti ou reformé dans la pile à combustible elle-même. L'eau est produite en tant que sous-produit.

La pile à combustible utilisée en série

En tant qu'appareil de chauffage, la pile à combustible a fait ses preuves et s'est avérée fonctionner de manière fiable à maintes reprises. Rien qu'au Japon, plus de 123.000 unités ont déjà été vendues par différents fabricants pour des applications fixes depuis 2009 (à compter du 01/2015). Les chaudières à pile à combustible Viessmann Vitovalor, spécialement développées et optimisées pour les maisons individuelles, fonctionnent avec un rendement global très élevé et sont conçues pour un fonctionnement optimisé en termes de puissance.

Toutefois, les piles à combustible fournissent également de l'énergie pour alimenter les véhicules et les navires, ainsi que pour fournir de l'électricité à l'industrie aérospatiale. Parmi les autres domaines d'application figurent les téléphones mobiles (batteries), la gestion du trafic, la sécurité et la surveillance, l'énergie éolienne et les télécommunications. En outre, on trouve des piles à combustible dans le secteur des loisirs pour l'alimentation en électricité (par ex. dans les camping-cars, les voiliers, les maisons de vacances et les refuges de montagne).

Charger une voiture électrique à la maison

Prenez l'avantage ! Pratiquement chaque maison (neuve ou rénovée) peut produire de l'électricité verte pour la famille et une voiture électrique. Aec une pile à combustible, une unité de stockage d'énergie, des capteurs solaires et la bonne technologie, les coûts d'électricité et d'essence peuvent être réduits au maximum. 

Comment fonctionne la pile à combustible ?

La production de chaleur et d'électricité dans la pile à combustible est basée sur une réaction électrochimique des deux éléments que sont l'oxygène et l'hydrogène. Le type de combustion qui a lieu dans les chaudières conventionnelles ne se produit pas, c'est pourquoi le processus est également appelé combustion à froid.

Le schéma montre la réaction chimique dans une pile à combustible.

Bien que l'hydrogène soit disponible en abondance dans la nature, il ne se présente pas sous la forme requise pour la combustion à froid dans la Vitovalor. Il doit donc être obtenu à partir du gaz naturel dans un processus antérieur. Selon les besoins, la Vitovalor PT2 peut fonctionner au gaz naturel H, E, LL ou biologique. 

Le gaz de combustion fourni passe par un reformeur intégré à l'unité, où un convertisseur catalytique le sépare en hydrogène dans une réaction en deux étapes. La première étape du processus de conversion produit un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Dans le second procédé d'épuration des gaz en aval, le monoxyde de carbone est transformé en dioxyde de carbone. Vient ensuite la combustion à froid, qui produit simultanément de l'électricité et de la chaleur. 

L'hydrogène ainsi obtenu est ensuite fourni au module pile à combustible. Ensuite, il est séparé au niveau de l'anode par un convertisseur catalytique en ions positifs et en électrons négatifs. Ces derniers se déplacent à travers un conducteur électrique de l'anode jusqu'à la cathode, qui produit un courant continu. L'onduleur intégré le convertit en courant alternatif avant de l'injecter dans le circuit électrique. Dans le même temps, les ions chargés positivement atteignent la cathode où ils réagissent avec l'oxygène. La chaleur dégagée lors de cette réaction est absorbée par les canaux de refroidissement remplis d'eau de l'empilement de piles à combustible et transférée à un échangeur de chaleur. L'énergie thermique ainsi obtenue peut maintenant être utilisée pour le chauffage central ou la production d'eau chaude sanitaire. En outre, la séparation des ions chargés positivement et des électrons chargés négativement empêche une réaction oxyhydrique explosive.

La vidéo suivante fournit des informations sur les avantages de la Vitovalor de Viessmann.

Vitovalor : le chauffage qui produit aussi de l'électricité

Modes de fonctionnement d'une pile à combustible au cours d'une journée

Pendant une grande partie de la journée, l'électricité produite par l'installation de chauffage à pile à combustible suffit à couvrir la demande. L'électricité ne doit être prélevée sur le réseau public qu'aux heures de pointe. En contrepartie, l'énergie excédentaire est exportée vers le réseau en échange d'une rémunération. Les utilisateurs d'installations de chauffage à pile à combustible sont donc moins dépendants de la hausse des prix de l'électricité.

Le premier pic de demande d'électricité et de chaleur se situe le matin : pour l'éclairage, la préparation du petit-déjeuner et la douche. La pile à combustible produit de la chaleur et de l'électricité pour la consommation sur place. La chaudière de charge de pointe s'allume automatiquement en cas de besoin de chaleur supplémentaire (à gauche). Le matin, la pile à combustible continue de fonctionner et couvre la charge de base – la chaudière de charge de pointe s'éteint.

Une plus grande quantité d'énergie est également nécessaire vers midi : pour cuisiner ou laver, par exemple. La chaudière de charge de pointe couvre à son tour la demande de chaleur supplémentaire. Pendant l'après-midi, la consommation d'énergie diminue à nouveau et la pile à combustible continue de fonctionner de manière autonome.

Le soir, les besoins en électricité sont souvent supérieurs à la production de la pile à combustible. La puissance supplémentaire est alors prélevée sur le réseau public. Dès que la maison devient plus silencieuse en fin de soirée, la demande d'énergie diminue également de manière significative. Le surplus d'énergie de la pile à combustible est injecté dans le réseau et donne lieu à une rémunération.

La demande de chaleur et d'électricité est minime. La pile à combustible fonctionne en mode de base. L'installation couvre entièrement les besoins énergétiques de la maison.

Vitovalor PT2

Avec la Vitovalor PT2, le modèle qui succède à la Vitovalor 300-P, Viessmann propose une solution efficace pour la production d'électricité et de chaleur dans les maisons.

L'appareil de chauffage compact à pile à combustible Vitovalor PT2

La Vitovalor PT2 est la centrale énergétique idéale pour la maison individuelle moderne. L'installation combine la production de chaleur et d'électricité sur une très petite surface. L'installation de chauffage à pile à combustible offre un rendement électrique nettement supérieur à celui des solutions actuelles de production combinée de chaleur et d'électricité. Cela réduit la quantité de chaleur extraite et rend l'appareil de chauffage à pile à combustible particulièrement adapté aux nouvelles constructions et aux projets de rénovation.

Diagramme de l'installation de la Vitovalor PT2

[1] Unité standard avec module pile à combustible et chaudière gaz à condensation
[2] Tour
[3] Interface de communication
[4] Compteur d'exportation intégré
[5] Routeur
[6] Circuit d'alimentation domestique
[7] Internet
[8] Application ViCare
[9] Réseau public

L'installation de chauffage à pile à combustible Viessmann se compose de deux unités qui peuvent être transportées séparément. Cela permet une installation rapide et facile, même dans les sous-sols étroits. L'une des unités contient le ballon d'eau chaude sanitaire en acier inoxydable d'une capacité de 220 litres, tandis que l'autre unité abrite la chaudière gaz à condensation destinée à couvrir les pics de consommation, la régulation pour marche en fonction de la température extérieure dotée d'un grand écran tactile couleur et le module pile à combustible avec reformeur, onduleur et empilement de piles à combustible (série de plusieurs piles à combustible). Cette unité visuellement cohérente est compacte et nécessite une surface de seulement 0,72 mètre carré.

Section transversale du produit Viessmann Vitovalor PT2

Quelle est l'efficacité de l'installation de chauffage à pile à combustible Viessmann ?

La production d'électricité s'accompagne d'une production de chaleur qui, dans les grandes centrales électriques classiques, est généralement perdue sous forme de chaleur résiduelle inutilisée. Les installations de chauffage à pile à combustible telles que la Vitovalor, quant à elles, utilisent cette chaleur perdue pour le chauffage central et la production d'eau chaude sanitaire. Elles ont donc un très haut niveau d'efficacité globale. En outre, il n'y a pas de pertes lors du transfert d'énergie, puisque l'énergie est utilisée directement sur place. Même la conversion du gaz de combustion en hydrogène est très efficace en raison de l'absence d'étapes thermomécaniques intermédiaires. La puissance électrique constante du module pile à combustible est de 0,75 kW. Une grande partie de la demande d'électricité peut ainsi être couverte à tout moment.

La Vitovalor fonctionne encore plus efficacement en association avec l'installation de stockage d'énergie Vitocharge. Elle permet de stocker le surplus d'énergie pour les périodes de pointe, ce qui augmente considérablement l'indépendance vis-à-vis des fournisseurs d'électricité. Il est également possible d'exporter l'excédent d'énergie vers le réseau public. Le gestionnaire d'énergie intégré est autodidacte et optimise donc le niveau de consommation sur site.

Fiable et éprouvée : la technologie de pile à combustible de Viessmann et Panasonic

Pour Viessmann, innover sans accorder une priorité absolue à la fiabilité et à la durabilité serait inimaginable. Viessmann s'appuie également sur une technologie éprouvée pour les installations de chauffage à pile à combustible. C'est pourquoi elles ont été développées en coopération avec Panasonic. Le module pile à combustible Vitovalor provient de l'entreprise japonaise. Panasonic a fabriqué plus de 34.000 unités en série pour le marché japonais.

Les technologies de pile à combustible en bref

L'électrolyte de la pile à combustible PEM est constitué d'une membrane en plastique qui ne laisse passer que les protons. La pile à combustible PEM n'est pas exigeante, puisqu'elle se contente de l'oxygène de l'air. Aucun processus complexe de filtrage et de nettoyage n'est nécessaire. La pile à combustible PEM peut être utilisée dans des applications fixes et mobiles. En raison de la faible température du système, cette pile à combustible peut être exploitée de manière très flexible et être allumée et éteinte fréquemment.

La DMFC est un développement ultérieur de la PEM. Au lieu de l'hydrogène, elle fonctionne au méthanol. Étant donné que le méthanol peut être stocké et transporté de la même manière que l'essence, il peut également être utilisé dans les véhicules ainsi que dans les alimentations électriques portables et comme substitut de batterie.

La pile à combustible à oxyde solide est entièrement composée de solides. Une céramique est utilisée comme électrolyte. La pile à combustible SO peut fonctionner avec du gaz naturel sans avoir à recourir à une valorisation complexe du gaz. Les SOFC se caractérisent par de longues phases de réchauffement et des durées de fonctionnement plus longues, car elles ne peuvent tolérer que quelques cycles de démarrage et d'arrêt au cours de leur durée de vie, en raison de leur température élevée. Par conséquent, la SOFC est adaptée aux applications qui permettent un fonctionnement presque continu.

L'AFC est l'un des types de pile à combustible les plus anciens. Des efforts considérables sont nécessaires pour purifier les gaz de réaction que sont l'hydrogène et l'oxygène. À l'origine, elle était principalement utilisée dans les voyages spatiaux – mais sa production a déjà été largement abandonnée au début des années 1970.

La PAFC est une pile à combustible développée pour les grandes unités de production combinée de chaleur et d'électricité et les compagnies de distribution d'électricité. Le gaz combustible nécessaire au fonctionnement est obtenu à partir du gaz naturel. L'oxygène provient directement de l'air.

La pile à combustible à carbonate génère des températures de 650 °C et permet une utilisation optimale de la chaleur résiduelle. La MCFC fonctionne directement avec du gaz naturel et de l'oxygène atmosphérique. Elle est principalement utilisée dans les grandes centrales électriques des compagnies de distribution d'électricité.

La pile à combustible en 5 points clés

Connaissances de base : qu'est-ce que l'hydrogène ?

L'hydrogène…

  • est une source d'énergie dont la densité énergétique en poids est la plus élevée
  • est un élément chimique portant le symbole H₂
  • se compose d'un proton et d'un électron
  • a le numéro atomique 1 (il décrit le nombre de protons dans le noyau atomique d'un élément chimique – il est donc également appelé nombre de protons)
  • est l'élément chimique le plus commun dans l'univers
  • ne produit pas de CO₂, car le H₂ ne contient pas de carbone

L'hydrogène est mal connu dans notre quotidien. Le H₂ est plutôt soumis à des idées préconçues le plus souvent basées sur l'ignorance ou de fausses informations. Cependant, il offre de nombreux avantages en tant que combustible.

L'hydrogène…

  • ne s'enflamme pas automatiquement
  • ne se décompose pas (contrairement à l'acétylène, par exemple)
  • ne s'oxyde pas et n'est donc pas un accélérateur de feu
  • n'est pas toxique, corrosif ou radioactif
  • est inodore
  • ne contamine pas l'eau
  • ne nuit ni à la nature ni à l'environnement
  • n'est pas cancérigène
  • brûle sans résidu

L'hydrogène jouera un rôle de plus en plus important dans les années à venir en tant que carburant dans le transport routier et en tant que support de stockage dans l'approvisionnement énergétique. Aujourd'hui, l'hydrogène est déjà largement utilisé pour alimenter les piles à combustible des véhicules. Par exemple, dans les bus pour les transports publics locaux. Il n'y a pas eu d'incidents à déplorer jusqu'à présent. En effet, l'hydrogène est sûr – il n'explosera pas de lui-même. Cela nécessiterait la présence d'un oxydant (par ex. l'air ou l'oxygène pur) et d'une source d'inflammation (limite d'inflammation dans l'air : 4 à 75% en volume).

Comparaison avec d'autres carburants

Contrairement à l'essence ou au GPL, l'hydrogène, comme le méthane, est plus léger que l'air. Il possède la densité énergétique la plus élevée de tous les carburants, soit 33,33 kWh/kg (sur la base de la masse ; méthane : 13,9 kWh/kg, essence : 12 kWh/kg) et avec 3,0 kWh/Nm³ l'une des plus faibles densités énergétiques (rapportées au volume ; méthane : 9,97 kWh/ Nm³, essence : 8 800 kWh/m³).