Les piles à combustible stationnaires

Les piles à combustible stationnaires
Table des matières
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Editorial, par Elie Stubbe, SRBE/KBVE
Généralités
• Brandstofcellen voor stationaire toepassingen: Historiek, technische en economische
haalbaarheid en trends. Prof. William D’haeseleer et Dries Haeseldonckx, Katholieke
Universiteit Leuven.
Aspects technologiques et commerciaux
• Essai d’un pilote industriel de pile à combustible PEMFC destinée à la cogénération.
François Desmaré, ingénieur civil, PROMOCELL sa.
• Solid Oxide Fuel Cells – Future Power Generation. Jonathan Lewis, G. Agnew, A.
Spangler, Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd., UK.
• MCFC Fuel Cell on Track to be Ready for Market. Michael Fübi, MTU CFC
Solutions, Germany.
Applications industrièlles
• Vers la rentabilité des piles à combustible. Jean Snoeck, Principal Engineer, SuezTractebel sa.
Le soutien à la recherche
• Brandstofcellen: een overzicht van onderzoeksinspanningen en overheidsbeleid.
Adwin Martens, Gilbert Van Bogaert. Grietus Mulder, VITO, Mol.
Article invité
• Le carnaval de neutrinos (1). P. Vilain, Université Libre de Bruxelles.
Généralités
Brandstofcellen voor stationaire toepassingen: Historiek, technische en
economische haalbaarheid en trends.
Prof. William D’haeseleer et Dries Haeseldonckx, Katholieke Universiteit Leuven.
Résumé
En gardant à l’esprit un épuisement éventuel des combustibles fossiles mais également
par soucis écologique, notre approvisionnement énergétique futur doit être étudié avec
attention. L'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique semble pour le moment
une piste intéressante. Cet hydrogène doit bien entendu être transformé efficacement en
chaleur et/ou en électricité. L'utilisation de piles à combustible est de loin la méthode le
plus appropriée. Dans une première partie, l'historique des piles à combustible
stationnaires est exposé. Le succès initial, il y a une dizaine d'année, de la pile du type
« Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) » est abordé plus en détail ainsi que l'échec
commercial final. L'historique des cinq autres types de piles, dont la percée commerciale
s'est fait attendre jusqu'à présent est également abordé Ensuite les faisabilités technique et
économique actuelles des piles à combustible sont débattues. À côté des caractéristiques
techniques et du prix de revient, d'innombrables facteurs externes jouent un rôle
important dans l’évaluation de cette faisabilité. Ainsi en est-il de la disponibilité
d'hydrogène suffisamment pur, ce qui n'est pas encore évident actuellement, et de
l'évolution vers des systèmes de piles décentralisés toujours plus petits, dont l'insertion
dans le réseau électrique actuel peut poser des problèmes de qualité de tension. Enfin, les
tendances actuelles du marché des piles à combustible sont évoquées et une ébauche de
notre future énergétique, tenant compte de l’introduction des piles à combustible, est
présentée.
Aspects technologiques et commerciaux
Essai d’un pilote industriel de pile à combustible PEMFC destinée à la
cogénération.
François Desmaré, ingénieur civil, PROMOCELL sa.
Resumé
Depuis quelques années, les piles à combustible franchissent peu à peu le cap qui sépare
leur développement en laboratoire des applications sur le terrain, que ce soit dans
l’industrie, le secteur résidentiel ou encore le secteur du transport.
Sous l’impulsion d’acteurs publics et privés actifs dans le domaine de l’électricité et du
gaz ainsi que de l’université de Liège, Promocell s.a. a été spécialement créée pour
assurer le développement, la promotion et la commercialisation des piles à combustible et
des technologies annexes. C’est dans ce cadre que Promocell a pu participer à un test de
terrain d’une pile de type PEMFC destinée à la cogénération.
Cette pile PEMFC (pile à membrane échangeuse de proton), comprenant un réformeur
intégré pour la production de l’hydrogène à partir du gaz naturel, pouvait développer une
puissance de électrique de 250 kW et une puissance thermique équivalente. L’énergie
électrique produite a été injectée sur le réseau de distribution local. Quant à la chaleur,
elle fut utilisée à des fins de chauffage du centre sportif de l’université de Liège.
Cette unité pilote a été installée en juillet 2001. Les tests ont été réalisés en collaboration
avec le fournisseur Alstom-Ballard durant une période de 2 ans pendant lesquels un peu
plus de 4000 heures équivalentes de fonctionnement ont été comptabilisées.
Le rendement, la fiabilité des différents sous-composants et les opérations de
maintenance ont fait l’objet d’une évaluation objective par l’équipe du projet. Cette
évaluation a porté aussi bien sur les aspects techniques que sur les aspects économiques
en intégrant principalement les coûts d’opération et maintenance, plus représentatifs que
les coûts d’investissement toujours hors normes à l’heure actuelle. En outre une
évaluation du potentiel des piles PEMFC dans le marché de la cogénération a été réalisée,
en tenant compte des spécificités du marché local de l’électricité et du gaz naturel.
Les test ont permis de conclure a un bon fonctionnement général du système, notamment
du de la pile elle même. Par contre, ils ont démontré l’importance de l’effort à consentir
dans la simplification des systèmes annexes tel que le réformeur et ses accessoires. La
fiabilité du système global est en effet fragilisée par la propre complexité de ce dernier.
Cette direction à suivre s’impose également du point de vue économique car une
réduction de la complexité irait de pair avec une réduction des coûts d’opération et
maintenance.
Solid Oxide Fuel Cells – Future Power Generation.
Jonathan Lewis, G. Agnew, A. Spangler, Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd., UK.
Résumé
La technologie des piles « Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) » est actuellement développée
par un certain nombre d'entreprises situées en Europe, Amérique du Nord et en Asie. La
technologie de SOFC a un certain nombre d'avantages par rapport à d'autres technologies
de production d'électricité, et même d'autres types de piles à combustible, dont une
efficacité électrique élevée d’au moins de 50%, de faibles émissions et une alimentation
multi-carburants. En outre la pile SOFC est censée avoir le meilleur potentiel pour
devenir concurrentielle au niveau du coût par rapport aux technologies existantes sur le
marché de la production distribuée: les moteurs à gaz et les turbines à gaz.
En évaluant les coûts des technologies concurrentes en production d'électricité, il est
important d'évaluer le coût de l’électricité produite (par kWh) plutôt que les seuls frais
financiers (par kW installé). Le premier inclut également les coûts de carburant et de
fonctionnement et d’entretien, tandis que le dernier ignore ceux-ci. Une indication du
coût par kWh auquel les unités de SOFC devront parvenir pour devenir concurrentiel
dans des applications stationnaires est fournie dans une étude entreprise par le US
Congressional Budget Office. Le rapport montre un coût de 8 à 10 cents de dollar US par
kWh pour les moteurs à gaz et les turbines à gaz (ramené au jeu de barres ).
Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd (RRFCS) est une filiale à 100% de PLC de RollsRoyce plc (RR), un fournisseur global de systèmes d'alimentation installé au Royaume-
Uni. RRFCS développe une unité hybride de SOFC combinant sa propre technologie
SOFC à prix réduit avec des turbomachines. L'objectif est de produire une unité hybride
de 1MW SOFC adaptée à la production distribuée et capable de concurrencer les
technologies existantes : moteurs et turbines à gaz.
Comme technologie à haut rendement pour la production d'électricité, avec de faibles
émissions, une grande compacité et un faible bruit, l'hybride SOFC 1MW est idéal pour
la production distribuée particulièrement dans les secteurs urbains sensibles. Cependant,
la clef pour une commercialisation réussie est un coût concurrentiel. RRFCS l’a reconnu
et se concentre sur l'utilisation des matériaux à prix réduit, des processus industriels
éprouvés et des conceptions innovatrices pour rencontrer le défi d’un coût critique.
MCFC Fuel Cell on Track to be Ready for Market.
Michael Fübi, MTU CFC Solutions, Germany.
Résumé
Le "HotModule", un système de piles à combustible MCFC (Molten Carbonate Fuel
Cell) de 250 kW de MTU CFC Solutions GmbH, Ottobrunn, est pratiquement prêt à être
mis sur le marché. En même temps que la compagnie américaine, FCE, qui produit
actuellement la pile pour le HotModule, MTU CFC Solutions est le leader mondial du
marché parmi les fabricants de piles à combustible à haute température. Environ une
douzaine de système de piles à combustible sont maintenant reliés réseau avec succès en
tant que projets-tests.
En raison de la réussite du HotModule lors des essais en service réel, MTU CFC
Solutions, qui est une joint-venture entre MTU Friedrichshafen et de RWE Fuel Cells,
projette de commencer la production de série des systèmes de HotModule en 2006.
C'est dû aux qualités et à la flexibilité du HotModule. Entre autres, il fournit des solutions
énergétiques pour le secteur industriel, pour l'industrie alimentaire, pour des
approvisionnements municipaux en énergie et pour des concepts autonomes,
indépendants du réseau électrique. Le système a déjà fait ses preuves dans une gamme
d’applications. La pile à combustible a déjà été fréquemment installée dans les hôpitaux,
mais est également utilisée dans les télécommunications, les centres de calcul, les usines
de pneus, etc...
En outre, l'article présente l'éventail d'avantages qu’offre le HotModule, comparé à
d'autres systèmes de production d'électricité. Par exemple, le MCFC est un système de
co-génération qui couvre les désirs du client simultanément pour la chaleur et la
puissance. D'ailleurs, l'efficacité électrique du HotModule atteint jusqu'à 47%, ce qui
reste inégalé avec les technologies conventionnelles. Un autre avantage est que l'air
d'échappement, qui sort à une température d’environ 400 °C peut être employé pour des
demandes industrielles de chauffage ou de climatisation des bâtiments. Le HotModule se
distingue également parce que, outre le gaz naturel, il peut également être alimenté par
des gaz secondaires, tels que le gaz d'eaux d'égout. Ces avantages et d'autres encore sont
présentés afin de démontrer que le HotModule convient pour jouer un rôle important dans
l'alimentation d'énergie décentralisée de demain.
Applications industrièlles
Vers la rentabilité des piles à combustible.
Jean Snoeck, Principal Engineer, Suez-Tractebel sa
Résumé
L’article s’attache tout d’abord à identifier les technologies concurrentes des piles à
combustible pour la production décentralisée d’électricité. Une comparaison est effectuée
qui confirme le faible impact des piles à combustible sur l’environnement mais également
les progrès à effectuer sur le plan de la rentabilité économique particulièrement en termes
de coût d’investissement.
A partir de cette dernière constatation, on détermine des scénarios d’abaissement du coût
qui permettraient aux piles à combustible de concurrencer avec succès les autres moyens
de production. Les résultats de cet examen sont présentés à la figure 1 ; ils ne permettent
pas de prévoir une percée décisive de cette technologie avant dix ans.
Le soutien à la recherche
Brandstofcellen: een overzicht van onderzoeksinspanningen en
overheidsbeleid.
Adwin Martens, Gilbert Van Bogaert. Grietus Mulder, VITO, Mol.
Résumé
La technologie des piles à combustible était déjà connue au début du 19e siècle, mais
actuellement, il n’y a pas encore de système technico-commercial disponible. La plus
grande part de l’effort est investie actuellement dans la recherche pour l'amélioration de
la technologie. Sur le plan politique également, diverses initiatives récentes ont été
lancées. La politique et le développement en matière de technologie de pile à
combustible sont une affaire internationale et les activités sont concentrées surtout en
Amérique du Nord, Europe et Japon. Dans cet article, un état des tendances sur le plan de
la recherche et de la politique internationales, est donné. La conclusion porte sur une
ébauche de la situation belge concernant ces sujets.
Article invité
Le carnaval de neutrinos (1).
P. Vilain, Université Libre de Bruxelles.
Résumé
Omniprésents mais fantomatiques, les neutrinos continuent de passionner les physiciens.
Au cours de la seconde moitié du siècle passé, ces particules mystérieuses ont fait l'objet
d'un grand nombre d'expériences, soit auprès de réacteurs nucléaires, soit dans les
faisceaux de particules instables issus des accélérateurs de grande énergie. Peu à peu,
elles ont dévoilé leurs secrets et trouvé leur place dans le tableau de famille des articules
reconnues aujourd'hui comme fondamentales ou "élémentaires". Ce premier article
évoque les principales étapes qui ont fait passer les neutrinos du statut de simple
hypothèse à celui, plus honorable, de constituants de base. Les découvertes récentes et les
ambitieux projets en cours feront l’objet d’articles ultérieurs.