Les applications stationnaires sont
les plus diversifiées parmi les applications des piles: cela
tient à plusieurs choses:
- un large spectre de puissance du kW à plusieurs MW,
- des applications allant de l'approvisionnement
d'électricité à la cogénération en
passant par la génération de vapeur ou de froid,
- divers (et même tous les) types de piles possibles,
- plus de possibilités au niveau des carburants,
- plusieurs types de clients possibles (particuliers,
entreprises, services publics, militaires) avec des objectifs, des
spécifications et des budgets différents.
On peut distinguer la production
décentralisée - avec en particulier les applications
stationnaires de faible puissance (résidentiel, secours...)
ainsi que la cogénération de moyenne puissance (quelques
centaines de kW) -
et la production centralisée d'électricité sans
valorisation de la chaleur.
Quel type de piles?
A la différence des autres
applications (portables et automobiles), la taille et le poids des
piles à combustible ont ici peu d'importance, on peut donc
utiliser différents types de piles. La pile à acide
phosphorique (PAFC) est celle qui a été le plus
testée pour ce type d'application: des modules de 200 kW de la
firme UTC Fuel Cell sont ou ont été en service au Japon,
aux USA et en Europe pendant les années 1990. Les piles de type
PAFC sont commercialisées, cependant les développements
et améliorations réalisables sont limités. Ces
piles ont permis d'apporter une certaine expérience sur
l'intégration des piles pour pour la production
d'électricité et de chaleur: leur durée de vie,
les améliorations à apporter, la fiabilité, la
gestion du système...
Désormais, ce sont les autres
types de piles, MCFC, SOFC et PEMFC, qui sont à l'étude
et qui pourraient avoir une part croissante dans le marché
stationnaire: on distinguera néanmoins
- les piles haute température SOFC et MCFC
pouvant servir à produire une chaleur à un niveau entre
40 et 200 voire 700°C et dont les applications vont du
résidentiel (pour les SOFC) à l'industrie et à la
cogénération et la production centralisée de
courant,
- des PEMFC dont la chaleur ne
pourra pas dépasser les 70°C et qui sera plutôt
utilisée pour des applications domestiques (eau chaude,
chauffage) et des PAFC limitées à 160°C.
En fonction des besoins, certains types s'imposeront plus que d'autres.
Si les PAFC et PEMFC peuvent dans les premiers temps s'imposer sur ce
marché, mais les SOFC (et MCFC) sur lesquelles il reste encore
beaucoup de travaux de développement à faire, pourraient
ensuite les supplanter.
Au niveau des puissances de ces piles, on trouve:
- des petites piles PEMFC et SOFC de quelques kW pour les résidences,
- des systèmes plus importants (100, 200, 250 kW) avec les trois types de piles,
- des plus grosses installations de
cogénérations (supérieures à 1 MW) qui ont
plutôt été réalisées avec des SOFC et
MCFC,
- des installations de puissance de l'ordre de 1 MW
combinant une pile haute température (SOFC et MCFC) avec une
turbine pour produire de l'électricité.
Autre différence de taille
entre les SOFC (et MCFC) et leurs concurrentes les PEMFC: les
premières peuvent utiliser directement divers combustibles,
du gaz naturel aux hydrocarbures liquides, biomasse et charbon
gazéifié et le reformage peut avoir lieu en interne alors
que les PEMFC acceptent un choix plus restreint de combustibles et le
reformage doit être fait hors de la pile dans un appareil
séparé. Dans les premiers temps, le gaz naturel
sera le combustible privilégié - même si EDF par
exemple utilise du méthanol dans quelques piles testées
dans des sites isolés. Le gaz naturel a l'avantage d'un
réseau existant et bien développé, ainsi que d'une
bonne perception près de la population.
Production décentralisée
Depuis plusieurs années, on
voit de nombreuses piles de faible puissance apparaitre et être
placées en test dans des habitations, sites isolés,
bâtiments administratifs, ...Ces applications stationnaires
mettant en jeu soit un apport exclusif d'électricité
(systèmes de secours ou de sécurité), soit de la cogénération
(production simultanée d'électricité et de
chaleur) sont l'une des possibilités qui pourrait le plus vite
déboucher sur le marché. Les puissances types sont de
l'ordre de quelques kW.
Parallèlement, d'autres prototypes de moyenne puissance de
l'ordre de quelques centaines de kW ont été
installés aux USA, au Japon et en Europe. Il s'agit là en
général de cogénération pour alimenter des
sites industriles ou des réseaux de chaleur. Les unités
de plus d' 1 MW restent encore rares à l'heure actuelle.
Quel marché?
Le marché stationnaire décentralisé est relativement vaste puisqu'il va:
- des applications domestiques
pour un particulier ou un secteur résidentiel avec chauffage
central collectif (l'électricité mais aussi la chaleur
produite par ce dispositif sont compatibles aux besoins d'une maison:
chauffage, eau chaude, piscine ou réfrigération)
- aux applications industrielles en moyenne industrie ou pour des PME (électricité, vapeur, eau chaude...)
- en passant par le secteur tertiaire
pour des bâtiments spécifiques type administratifs,
hôpitaux, piscines, maisons de retraite, centres commerciaux...
- et enfin les applications de secours ou de sécurité servant à alimenter des systèmes sensibles (banque..).
Dans un marché en constant
changement (ouverture à la concurrence) et face à une
demande croissante en électricité, les piles à
combustible représentent des sources de production
d'énergie délocalisée très
intéressantes.
Elles peuvent constituer une solution dans le cas de lieux isolés
où il est difficile ou même coûteux, d'installer des
lignes électriques (site classé, montagne ...). Les piles
à combustible pourraient assurer une distribution fiable et
indépendante des intempéries et même permettre une
économie dans le coût de transport et d'installation. Ce
n'est peut être pas aussi vrai en France dont la production
d'électricité est plus tournée vers le
nucléaire et donc centralisée, mais d'autres pays se
tournent vers d'autres choix. Des pays aussi gigantesques que les Etats
Unis ont besoin de production délocalisée. En France,
depuis 2003, EDF teste une pile d'Idatech couplée avec des
panneaux solaires alimentée au méthanol tandis que GdF a
installé 5 piles de HPower alimentées au gaz naturel. EDF
a aussi installé deux piles dans des maison du Haut Doubs non
connectées au réseau avec un système
photovoltaique pour compléter.
Une autre application pour laquelle la pile est particulièrement indiquée sont les systèmes de secours ou de sécurité
requérant une grande fiabilité. cela peut être le
cas par exemple pour une banque ou des systèmes informatiques
requérant une grande disponibilité.
La pile à combustible se
révèle intéressante pour les besoins
simultanés en électricité et en chaleur, voire en
froid puisque à la fois chaleur et électricité
sont produits par les piles. Mais on peut aussi envisager des demandes
soit uniquement en électricité ou en chaleur ou
distinguer selon que les besoins dominants seront en
électricité ou en chaleur. Les deux étant produits
par une pile (dans un ratio dépendant du type de pile), il est
possible de revendre la chaleur et consommer
l'électricité (ou inversement), consommer les deux ou
bien consommer une partie de la chaleur et de
l'électricité produites et revendre le surplus à
un tarif convenu avec un fournisseur d'énergie.
| Connexion au réseau |
Revente d'électricité |
Utilisation de la chaleur et de l'électricité |
| oui |
non |
Consommation totale de l'électricité |
| oui |
non |
Consommation partielle de l'électricité |
| oui |
oui |
Consommation totale de la chaleur |
| oui |
oui |
Consommation partielle de de la chaleur |
| non |
non |
Consommation de chaleur et d'électricité |
La pile à combustible offre un
meilleur rapport électricité - chaleur que ces
concurrents dans le domaine (moteurs, micro turbines...). Cependant,
les coûts sont encore bien
trop élevés pour que les piles puissent actuellement
avoir une pénétration conséquante dans le
marché stationnaire car leurs concurrents ont des coûts de
revient beaucoup plus bas.
Les coûts d'investissement se situent actuellement entre 3500 et
10000 Euro/kW (pile, auxiliaires et production d'hydrogène) et
on estime qu'ils devraient passer à moins de 1000 Euro/kW.
Les coûts de maintenance ainsi que la durée de vie des stacks et des auxilaires restent encore des inconnues.
Il faut tenir compte de la possibilité ou non de revendre le surplus d'électricité au réseau, et à quel prix.
A ces difficultés d'ordre économique s'ajoutent les
problèmes purement technologiques tel que leur durée de
vie, l'empoisonnement du catalyseur, leur faire réaliser
plusieurs cycles départ/arrêt successifs sans dommages...
Quant au bilan environnemental,
il semble globalement favorable aux piles à combustible: les
émissions de CO2 et de NOx seraient inférieures à
celles de leurs concurrentes.
Applications
Selon que la pile alimentera une ou
plusieurs entités, qu'elle sera ou non reliée au
réseau, on peut avoir de nombreuses configurations possibles. Ci
dessous sont donnés quelques exemples.
La pile est ici alimentée en
méthane et en air. Le reste de l'hydrogène et du CO
présents dans les gaz de l'anode sont brûlés avec
le reste de l'oxygène présent dans l'air de la cathode,
la chaleur obtenue permet de chauffer les gaz qui
pénètrent dans la pile puis est distribuée au
réseau. La différence entre les deux architectures
suivantes (avec PEMFC et SOFC) vient de la présence d'un
reformeur avec la PEMFC et le niveau de chaleur distribuée au
réseau.
Système simplifié avec une PEMFC
Système simplifié avec une SOFC
Production centralisée
Parmi les types de production
d'électricité, on peut trouver pour les piles
différents types d'application:
les applications de secours, la production d'appoint reliée ou
non au réseau ou une production centralisée
d'électricité.
Les piles à combustible
dépassent rarement la taille d'1 MW, cependant des études
sont faites sur des centrales de plusieurs centaines de MW. Celles-ci
pourraient ainsi remplacer les centrales thermiques trop polluantes.
Cependant seules les piles "haute température", c'est à
dire les MCFC et SOFC sont adaptées à de telles
applications: on peut en effet leur adjoindre une turbine à
vapeur ou à gaz (voire les deux derrière une SOFC) et
ainsi produire de l'électricité avec un rendement
très élevé: des rendements de plus de 70% sont
annoncés.
De même que les installations de
cogénération, ces systèmes peuvent servir à
la production décentralisée d'électricité.
De construction modulaire, avec des faibles nuisances sonores, ces
installations peuvent être installées près des
utilisateurs.