Transcript les différentes technologies de pile à combustible - Meurthe

LA PILE À COMBUSTIBLE ET LA
COGÉNÉRATION
Thierry PRIEM
Salon de la méthanisation en Lorraine CEA | 10 AVRIL 2012
14 OCTOBRE 2014
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MÉTHANISATION ET COGÉNÉRATION
La Pile à Combustible et la cogénération, 14 octobre 2014
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LE PRINCIPE DE LA COGÉNÉRATION
Gaz naturel
Reformage si
nécessaire
+
Unité de
cogénération
Biogaz
Froid
Cogénération
Trigénération
Chaleur
Electricité
Cycle combiné
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La Pile à Combustible et la cogénération, 14 octobre 2014
LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE
COGÉNÉRATION
Moteurs Stirling/Rankine
Moteurs à combustion interne
Micro turbines
Turbines
PEMFC
SOFC
PAFC
SOFC
MCFC
Piles à combustible
Maison individuelle
Immeuble collectif
Site industriel
Petite Moyenne
cogé
cogé
Micro cogénération
10
Quartier
Mini cogénération
50
100
250
500 1000
Grosse
cogénération
kWe
La Pile à Combustible et la cogénération, 14 octobre 2014
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LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE
COGÉNÉRATION
100
Moteur Stirling
90
Cycle de Rankine organique
Moteur à combustion interne
80
PEMFC
Rendement thermique %
PEMFC HT
70
SOFC
Moteurs Stirling et
cycle de Rankine
60
50
Moteurs à
combustion
interne
40
Piles à
combustible
SOFC
Piles à
combustible
PEMFC
30
20
Courbe iso
rendement total
90 %
10
0
0
10
20
30
Rendement électrique %
40
50
60
La Pile à Combustible et la cogénération, 14 octobre 2014
70
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LA COGÉNÉRATION PILE À COMBUSTIBLE
RENDEMENT DE CONVERSION
Gaz naturel/
biogaz
100
Système de
cogénération
(pile à
combustible
PEMFC)
η = 90 %
Electricité
35
55
35
Réseau
électrique
η = 97,5 %
55
Chaudière à
gaz
η = 90 %
36
Centrale thermique
à gaz (cycle
combiné)
η = 55 %
Gaz naturel/biogaz
65
126
Gaz naturel/biogaz 61
Chaleur
ηglobal = 90 %
ηglobal = 71 %
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LE PRINCIPE DE LA PILE À COMBUSTIBLE
Electricité
Chaleur
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LES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE PILE À
COMBUSTIBLE
Type de pile
Anode
(catalyseur)
Membrane échangeuse
de protons
(PEMFC)
H2 → 2 H+ + 2 e(Pt)
Méthanol direct
(DMFC)
CH3OH + H2O → CO2 + 6 H+ + 6 e(Pt)
Membrane échangeuse
de protons HT
(HT-PEMFC)
H2 → 2 H+ + 2 e(Pt)
Acide phosphorique
(PAFC)
H2 → 2 H+ + 2 e(Pt)
Alcaline
(AFC)
H2 + 2 OH- → 2 H2O + 2 e(Pt, Ni)
Carbonate fondu
(MCFC)
H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2 e(Ni + 10 % Cr)
Oxyde solide
(SOFC)
Reformage externe
Oxyde solide
(SOFC)
Reformage interne
H2 +O2- → H2O + 2 e(Cermet Ni-ZrO2)
CH4 + 4 O2- → CO2 + 2 H2O + 8 e(Cermet Ni-ZrO2)
Electrolyte
Ion conducteur
Polymère perfluoré
(SO3-H+)
H+ 
Polymère perfluoré
(SO3-H+)
H+ 
Polybenzimidazole (PBI) +
acide phosphorique (90 %)
H+ 
PO4H3 (85-100 %)

KOH (8-12 N)
H+

LI2CO3/K2CO3/Na2CO3
OH-
 CO3
ZrO2-Y2O3
2-
 O2ZrO2-Y2O3
 O2-
Cathode
(Catalyseur)
Température
½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O
(Pt)
70-90 °C
½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O
(Pt)
60-80 °C
½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O
(Pt)
150 – 180 °C
½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O
(Pt)
160-220 °C
½ O2 + H2O + 2 e- → 2 OH(Pt-Au, Ag)
50-250 °C
½ O2 + CO2 + 2 e- → CO32(NiOx + Li)
650 °C
½ O2 + 2 e- → O2(Perovskites
LaxSr1-xMnO3)
½ O2 + 2 e- → O2(Perovskites
LaxSr1-xMnO3)
750-1000 °C
750-1000 °C
Piles à combustible pour la cogénération basse température (< 250 °C)
Piles à combustible pour la cogénération haute température (> 500 °C)
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L’ARCHITECTURE D’UN STACK PILE À COMBUSTIBLE
Couche de
Plaque
Zone active
Bipolaire
Membrane
diffusion
Assemblage
Membrane
AME
Electrodes
Hydrogène
Cellule
Refroidissement
Air
Module PEMFC FCgen®
Puissance : 2,4 – 10,5 kWe
Nombre de cellules 27 - 120
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L’ARCHITECTURE D’UN SYSTÈME PILE À
COMBUSTIBLE
Alimentation
électrique
domestique
Injection de
l’électricité
sur le réseau
Convertisseur
DC/AC
Système pile à
combustible
Anode
Filtre
Post
combustion
Cathode
Air
Compresseur
Transformation
du combustible
H2
Gaz naturel
Biogaz
Echangeur
thermique
Combustible/Hydrogène
Air
Eau chaude
Boucle chaleur (eau)
Circuit électrique
Ballon
eau
chaude
Eau chaude
sanitaire
Réseau de
chauffage
central
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Biogaz
Purification
désulfuration
Unité de purification
du combustible
CH4
Vaporeformage
H2 +
CO + CO2
Conversion
du CO
(Water gas
shift reaction)
O2
H2O
H2O
LE TRAITEMENT DU COMBUSTIBLE
H2 +
CO + CO2
Oxydation
préférentielle
H2
Unité de production d’hydrogène
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L’ARCHITECTURE D’UN SYSTÈME PILE À
COMBUSTIBLE DE MICRO-COGÉNÉRATION
Convertisseur électrique
Module pile à combustible PEMFC
Echangeur thermique
Catalyseur oxydation préférentielle
Etage purification CO
Etage shift CO
Gaz naturel
Eau froide
Etage reformage
Eau chaude
Catalyseur reformage
Air
Unité stockage Unité Pile
eau chaude à combustible
Electricité
Module transformation du combustible
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EXEMPLES DE SYSTÈMES PILE À COMBUSTIBLE DE
MICRO-COGÉNÉRATION
Gamma Premio
Ene-Farm 2013
BlueGen
1 kWe
Rendement électrique (PCI) = 34 %
Rendement thermique (PCI) = 62 %
Rendement total (PCI) = 96 %
750 We
Rendement électrique (PCI) = 39 %
Rendement thermique (PCI) = 56 %
Rendement total (PCI) = 95 %
1,5 kWe
Rendement électrique (PCI) = 60 %
Rendement thermique (PCI) = 25 %
Rendement total (PCI) = 85 %
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RENDEMENT ÉNERGÉTIQUE D’UN SYSTÈME PILE À
COMBUSTIBLE DE MICRO-COGÉNÉRATION
Rendement (%)
Rendements du système BlueGEN
(température de retour 30 °C)
Puissance électrique fournie (W)
Rendement électrique
Rendement thermique
Rendement total
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LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE
1
2
Transformation du gaz
naturel en hydrogène
3
Module pile à
combustible PAFC
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
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LA COGÉNÉRATION COLLECTIVE
Module pile à
combustible
(4 stacks)
Equipements
auxiliaires mécaniques
Unité DFC3000
2,8 MWe
Rendement électrique (PCI) = 47 %
Rendement thermique (PCI) = 43 %
Rendement total (PCI) = 90 %
Equipements
auxiliaires
électriques
Module pile à
combustible
(4 stacks)
Cellule et
stack MCFC
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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
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LE CYCLE COMBINÉ - PRINCIPE
Cycle combiné
avec
postcombustion
et turbine à gaz
Cogénération
classique
Cycle combiné
avec
postcombustion
et turbine à gaz
+
turbine à vapeur
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LE CYCLE COMBINÉ
Micro turbine à gaz
Unité SOFC
Cellule SOFC
tubulaire
Cartouche
Unité SOFC
Module SOFC
Installation cycle combiné
SOFC/Micro turbine à gaz
Micro turbine
à gaz
Système de 200 kW :
cycle combiné avec unité
de cogénération SOFC
ηel = 52,1%
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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 CO2
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 NOx et de CO (< 20 mg/kWh)
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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)
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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
4
3
100%
2
Ventes cumulées
80%
1
60%
40%
20%
0%
2009
1
Déploiement
du moteur à
combustion
interne
2
3
Lancement
de la PEMFC
au Japon
Lancement
du moteur
Stirling en
Europe
2010
2011
2012
4
Lancement
de la SOFC au
Japon
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LE MARCHÉ DE LA PILE À COMBUSTIBLE POUR LA
MICRO-COGÉNÉRATION AU JAPON
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MERCI DE VOTRE ATTENTION
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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
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DRT
LITEN
Direction Scientifique