La micro-cogénération à pile à combustible - ademe.fr · Confidential - Do not duplicate or distribute SOMMAIRE Chapitre 1 La cogénération à pile à combustible : une production

La micro-cogénération à pile à combustible

ENGIE LAB CRIGEN

Stéphane Hody

Référent d’expertise Piles à Combustible

[email protected]

Confidential - Do not duplicate or distribute

SOMMAIRE

Chapitre 1La cogénération à pile à combustible :

une production locale et efficace d’électricité et de chaleur

Chapitre 2Des produits qui arrivent à maturité technologique

Les premiers déploiements réalisés par le groupe Engie

Chapitre 3 Actions transverses et les perspectives

La micro-cogénération à pile à

combustible :

une production locale et efficace

d’électricité et de chaleur

2016 CRIGEN – ENGIE LAB Confidential - Do not duplicate or distribute

La pile à combustible : la technologie la plusefficace pour convertir le gaz naturel en électricité

4

l Pile à combustible (PiAC) : un réacteur électrochimique qui convertit l’énergie chimique d’un combustible en électricité et chaleur, sans combustion ni parties mobiles

l Une PiAC peut être alimentée avec différents combustibles gazeux : gaz

naturel, biogaz ou hydrogène

l Rendements au gaz naturel : 30 à 60 % sur l’électricité, et jusqu’à 95% au total (chaleur et électricité)

l Des systèmes sont disponibles pour les applications résidentielles, tertiaires et

industrielles

l 4 technologies peuvent être utilisées en cogénération au gaz naturel :

Ø PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Ø PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell

Ø MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell

Ø SOFC : Solid Oxide Fuel Cell

l Evolutions techniques attendues de la technologie :

Ø Consolidation de la durée de vie à plus de 80’000 h

Ø Légère amélioration des rendements électriques pour la plupart des technologies

PEMFC PAFC MCFC SOFC

T° 80°C à

180°C

180°C 600°C 550°C à

900°C

Puissance

électrique

(kW)

0,3 – 50 100 – 400 250 – 1400 0,7 – 250

Tenue aux

cycles de

marche

/arrêt

Elevée

(>4000)

Faible

(1 par an)

Faible

(1 par an)

Faible

(1 par an)

Durée de

vie (h)

Jusqu’à 120’000

Jusqu’à 60’000

Jusqu’à 40’000

Jusqu’à 90’000

Rendt

électrique

au gaz

naturel

25 - 40% 40 - 42 % 45 - 48% 30 - 60%

2016 CRIGEN – ENGIE LAB Confidential - Do not duplicate or distribute 5

*Catalytic partial oxydation, oxydation catalytique partielle

ReformeurCPOx ou

Vaporeformage

Cœur de pile

On

du

leu

r

Gaz

naturel

Fumées

CO2, H2O

Le gaz naturel est

privé de son soufre

et de son

odorisation

Cartouche

de

Désulfurisat

ion

Air

Eau de ville

Eau chaude

Traitement

d’eau

Surpresseur

Eau ChaudeEchangeur

Electricité

+

On

dO

nd

On

dO

nd

On

dO

nd

ule

ule

ule

ule

ur

Courant

Continu

E

Courant

alternatif

2 modes de

production de

l’hydrogène

possibles:

- CPOx*

- VaporeformageH

2O(2)sat

VapoVaporefo

satsat

CH4

O2(1)

O2

Cathode

Anodeou

eureureureur

H2, CO2

Condensats

Le cœur de pile permet l’oxydation de l’hydrogène avec l’oxygène

ge

OOOOOOOOOOOO222222

COCOCOCOCOCO2222222

ConConConConConConden

2 modes de reformage de l’hydrogène à partir du gaz naturel :(1) CPOx* à l’oxygène

- Limite le rendement électrique,

+ Maintenance limitée,

+ Pas de filtre à eau,

+ Compatible avec des émetteurs HT.

Constructeurs : Hexis, Vaillant

(2) Le Vaporeformage avec de l’eau

+ Rendement électrique,

- Maintenance supplémentaire (eau),

- Température de chauffage limitée.

Alimentation soit en eau de ville, soit à partir de la

condensation des fumées.

Constructeurs : Dantherm, RBZ, Viessmann, Bosch,

Elcore

2 Technologies possibles en micro-cogénération :PEMFC : cœur de pile à 80 °C

ɳel: 25 à 40 % et ɳgl: 95 %/PCI

Reformeur complexe pour H2 de qualité

Démarrage « rapide » (<1h)

Nombreux cycles de marche/arrêt possible

SOFC : cœur de pile ~800°C

ɳel: jusqu’à 60 % et ɳgl: 95 %/PCI

Reformeur simple (sans purification du CO)

Démarrage lent (>3h)

La pile à combustible : production d’électricitéet de chaleur à partir du gaz naturel


Production locale d’électricité et de chaleur pourréduire la consommation d’énergie primaire

6

• La pile produit de l’électricité en fonction de la

demande de chaleur du bâtiment.

• L’électricité est autoconsommée et le réseau

électrique fournit l’éventuel complément.

• Selon les réglementations, l’excédent de

production électrique peut être exporté, voire

revendu sur le réseau.

• Une micro-cogénération à pile

se décompose généralement

d’un module pile à combustible,

d’une chaudière d’appoint et d’unballon de stockage thermique.

Chaudière à Chaudière à condensationconden

Rdtnden

RdtRdt = sationensaen

= = = = 100%

128

Transport et Transport et distributiondistribuRdt

butionstributt = 92%

Electricité bassesse-e-tension

Centrale CentraleGaz

EffEffEff. GaGa

ff. = GazGa= = 60%

Unités de gaz naturel 55

Unités de gaz naturel 73

4 29

44 44 unités

4040unités

4040unités

5555unités

55 55 unités

100100Unités deUnités de

Gaz Naturel

Pertes Pertes

mCHPHP à pilemCHPTotal

mCHPtal tal eff

à pileà HPHP à HPeffeffeffeffeff. = 95%

Chauffage et eau chaude

5 Pertes

Des produits qui arrivent à

maturité technologique

Les premiers déploiements

réalisés par le groupe Engie


Les Etats-Unis et l’Asie dominent le marchédes piles à combustible stationnaires

8

La Corée du Sud est

devenue le leader

mondial des piles à

combustible

stationnaires avec environ

300 MW installés, de la

micro-cogénération à la

production de forte

puissance (100 MW)

L’Europe débute la commercialisation

des piles stationnaires, notamment pour

les particuliers.

Les Etats-Unis USA considèrent

principalement les cogénérations à pile

à combustible de moyennes puissances

(100 kWe à 1 MWe). Près de 250 MW

seraient installés à ce jour.

Le Japon est le leader

mondial de la micro-

cogénération résidentielle

à pile. 150’000 unités ont été vendues et installées

(mars 2016).Source : « The Fuel Cell Industry Review 2015 », E4Tech


8 constructeurs de micro-cogénération à piles53 tests sur le terrain suivis par Engie Lab

9

Pile Viessmann Vaillant Hexis Baxi Elcore Bosch RBZ DANTHERM SENERTEC

Type PEMFC SOFC SOFC PEMFC PEM HT SOFC PEMFC PEMFC PEMFC

Puissance

électrique(W) 750 1000 1000 1000 300 700 3900 2000 700

Puissance

thermique(W) 1000 1800 2500 2300 700 600 9100 4700 -

Rendement électrique 37% 33% 35% 33% 30% 45% 31% 27% 38%

Nb de systèmes installés 3 et 10 10 5 5 5 5 3 5 2

Projet EPILOG

GrDF

ENEFIELD

GrDFENEFIELD

RBZELCOREBAXI INNOTECHHEXISVAILLANT DANTHERMBOSCHVIESSMANN

EPILOG : projet ADEME. Viessmann, GrDF, ENGIE LAB CRIGEN et COSTIC

ENE FIELD : projet européen du FCH-JU. 26 partenaires. 1000 piles en Europe.


Retour sur l’ensemble des tests terrains

10

q Les rendements d’exploitation sont en adéquation avec les rendements en laboratoire (baisse normale de quelques points de part les cycles de marche/arrêt)

q Une réduction de la facture énergétique (gaz+élec) pour les clients.

q Des durées d’installations longues, 2 à 3 jours en moyenne, en raison de la nouveauté pour les installateurs. Les systèmes tout intégrés et monoblocs facilitent grandement le travail de

l’installateur.q La surface nécessaire à l’implantation des piles (pile, chaudière, système de régulation et

hydraulique), de 2 à 8 m² nécessite de grands volumes et impose une installation en chaufferie .

q Des limitations pour certains systèmes sur les températures départ/retour de l’installation de chauffage peuvent limiter l’accès au marché de la rénovation.

q Des taux d’autoconsommation parfois faibles nécessitant de valoriser la production d’électricité exportée sur le réseau, pour maintenir l’intérêt économique du client.

Actions transverses et les

perspectives


• Faciliter le marché en France:

• Intégration réglementaire dans la RT 2012

• Valider les aspects liés à la sécurité

• Identification des aides nécessaires, notamment sur la valorisation de

l’électricité produite

• Augmenter l’autoconsommation de l’électricité produite

• Études sur l’utilisation de stockage électrique

• « Couplage » avec des bornes de recharges de véhicules électriques

Actions transverses

12


• Les piles à combustible ont atteint une maturité technologique (performances et durée de vie

notamment)

• Leur déploiement est en cours à l’échelle mondiale (près de 1 GW installés)

• Les coûts restent cependant élevés (2 à 10k€ / kW) mais la baisse des coût a démarré sur certains

marchés de par l’augmentation des volumes

• Le déploiement dépendra fortement des conditions tarifaires des énergies selon les pays et régions

Conclusions et Perspectives

13

• Quelques pistes de travaux R&D à mener :

• Clarifier l’impact de la production décentralisée sur les réseaux électriques (autoconsommation, revente totale ou en surplus)

• Limiter la maintenance des systèmes à pile à combustible : purification de l’eau, absorption chimique du THT

• Oxydation directe du méthane par la pile ?

ENGIE LAB CRIGEN

361 avenue du Président Wilson

93210 Saint-Denis La Plaine, France

Tél : +33 (0)1 44 22 00 00

engie.com

La recherche au service de la transition énergétique

SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai – Paris

Powidian – Sites Isolés


SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai

Qui sommes nous ?

• Powidian est une SPIN-OFF du groupe Airbus

issue de la division radio communication

sécurisée.

• PowiDian conçoit, installe et assure la

maintenance de stations autonomes de

production décentralisée d’électricité, non

polluantes et intelligentes, fournissant une

électricité disponible en permanence au

meilleur coût.

• Puissance : à partir du KW jusqu'à plusieurs

centaines de KW.

• Janvier 2015 naissance de Powidian

• Powidian aujourd’hui c’est 14 personnes

réparties entre Elancourt et Tours.

• Lauréat Solution Climat COP21

17 Mai 2016 2



Historique du besoin • BESOINS :

> FOUNIR de l’énergie fiable 24/24 heures sur des sites isolés et difficiles

d’accès, pour de petites puissances : quelques Kilowatts• 100% autonome

• Non utilisation de groupe électrogène

• Haute Fiabilité : 99,99 % de disponibilité

• Longue durée de vie, supérieure à 15 ans

• Maintenance limitée

• Cout de possession attractif

• CONSTAT :

> Aujourd'hui, les sites isolés sont alimentés par :• Deux groupes électrogènes

• Ou des panneaux solaires et/ou éolien + un groupe électrogène pour sécuriser

17 mai 2016 3



Solution

17 mai 2016 4



Historique Airbus

• Projet Européen RENESTA : 2010<->2014

• Projet RHYTA – Suite RENESTA stockage H2 avec des

Hydrures

17 mai 2016 5



Refuge du Palais• Période d’ouverture : 4 mois, de juin à septembre inclus

• Période de fermeture : 8 mois, d’octobre à mai inclus

• Consommation utilisations en période d’ouverture :

• Energie journalière de 6,5 kWh ( soit environ 800kW.h sur la période

d’ouverture)

• Dont 2,5KWh sur la sortie 24VDC

• Appareils à alimenter en 24VDC : éclairages,

frigo, radio, etc

• Dont 4 KWh sur la sortie 230VAC

• Appareils à alimenter en 230Vac : pompe

relevage, pétrin, parabole etc

• Consommation utilisations en période fermeture : aucune

• Mieux stocker l’énergie des panneaux PV, inutilisée pendant la période de

fermeture, pour l’utiliser aux périodes de besoin ( capacité batterie, et/ou

ensoleillement insuffisants)

• Obtenir l’autonomie énergétique sur l’année

• Eviter le recours au groupe électrogène ( réduction nuisances, réductions couts

d’exploitation)

• Offrir plus de service énergétique aux usagers et gardiens

• Réalisation écoresponsable

17 mai 2016 6



Choix techno H2

• Deux Réservoir 850 litres, 30 bars matériaux composites

• Pile => 2,5 Kw électrique

• Technologie PEM

• Produit pour Back-up

• Electrolyseur => 0,5 Nm3

• Technologie AES Alcaline Electrolyte Solid

• Nombreux Avantages => Qualité eau, froid, maintenance

17 mai 2016 7



Choix technique H2

17 mai 2016 8

• Système modulaire

• Maintenabilité sur site : H2 Rackable,

• Connecteur H2 Rapide

• Connection à distance

Renesta

Refuge du Palais



Evolution H2

Piste de R&D

• Durée de vie pile H2 a augmenter à cout raisonnable

• Nombre de Marche/Arrêt

• Nombre d’heures

• Suppression de l’humidification des piles.

• Petit électrolyseur PEM à cout raisonnable avec pression H2 = 30 Bars

ou supérieur.

17 mai 2016 9



Evolution H2

17 mai 2016 10



Evolution H2

17 mai 2016 11

MERCI

Et place aux questions !



17 Mai 2016 12

Jean-Marie BOURGEAIS Fondateur

06 85 74 43 64

Données non contractuelles pouvant être modifiées à tout moment par Bulane SAS. Tous droits réservés.

1

« Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et

l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur

et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »

Jules Verne - L’Île mystérieuse - Partie 2, Chapitre 11 - 1874


2

Un positionnement inédit…

HYDROGENE INDUSTRIEL

Electrolyseurs classiques

Finition des métaux

Microélectronique

Semi-Conducteur

Industrie de la LED

Industrie du verre

Alimentaire

Industrie Photovoltaïque

…sur les marchés prometteurs de l’hydrogène et ses applications.

HYDROGENE ENERGIE

Electrolyseurs classiques

Stockage électrochimique

Mobilité (recharges…)Power to Gas

Carburant Transports

COMBUSTION HYDROGENEPRODUCTION & UTILISATION DIRECTE

Electrolyseurs à façon

Délivrer des services décarbonnés à forte valeur ajoutée,

pour répondre directement aux besoins du consommateur final.

Embarquer des électrolyseurs dans des produits fonctionnels dédiés à des applications.


3

Flamme

IndustrielleChauffage Transport

Traitement Déchets

Gamme de Générateurs

d’HYDROGENE technique industriel

Gamme de

Chauffages Centraux

HYDROGENE

Gamme de

Générateurs embarqués

HYDROGENE

BULANE® Hydrogène « Combustible Zéro Carbone »

1 32 4

Gamme d’Incinérateursde déchets

à HYDROGENE

ENERGIE FOSSILE -> EMISSION de CO2 et de GAZ A EFFET DE SERRE

Acétylène, Butane, Propane…

Fioul, Gaz Naturel

Supercarburant, Gazole, GPL

Méthane, Autres Gaz…

Flamme Industrielle Chauffage Transport

Traitement Déchets

- Brasage Soudage Coupage,

- Chauffe Thermique,

- Projection Métallique,

- Travail du Verre…

- Habitats Collectifs,

- Collectivités,

- Maisons Individuelles,

- Tertiaire…

- Poids Lourds,

- Transports collectifs,

- Véhicules individuels,

- Transport Maritime…

- Incinérateurs

de déchets

TRANSITION ENERGETIQUE

Un 1er focus sur des marchés matures en forte croissance


4


5

1er marché ciblé - La flamme industrielle

Oxy-hydrogen flame for you, now.


6

1er marché cible - La flamme industrielle

HVAC+RHeating, Ventilation, Air

Conditionning & Refrigeration

Fabricants, Techniciens frigoristes, Chauffagistes, Artisans Plombiers

Plus d’1 Million d’Utilisateurs à équiper

Des marchés matures, en croissance, et qui représentent un potentiel de plus d’1 Milliard d’€

ELECTRIQUEMoteurs, Génératrices,

Transformateurs Electriques

TRANSPORTS

Fabricants et Équipementiers

Automobiles, Aéronautiques et

Ferroviaires


7De la production à l’utilisation

Schéma classique

Prospection Consultation Gaz

Utilisation

Achat

Approvisionnement

Stockage

Distribution

CO2

Fourniture d’électricité

Production et utilisation

Distribution électrique

Branchement

système dyomix®

sur alimentation électrique

CO2

Pas de CO2

si source

électrique ENR

De la production à l’utilisation

Système dyomix®

Tempo Alimentation

en eau

Décarbonner le marché de la Flamme Industrielle


8

dyomix®, des bénéfices clients aussi inédits qu’inégalés

ECONOMIQUERéaliser des économies financières

et stabiliser vos dépenses liées au brasage.

TEMPS DE BRASAGE, MOBILITE & QUALITEAugmenter la productivité et la mobilité

de votre processus de production.

RISQUES & SECURITEDiminuer les risques et augmenter la sécurité

de votre personnel et de vos installations

SANTE AU TRAVAILAméliorer les conditions de travail et préserver la santé de vos opérateurs

EMPREINTE ECOLOGIQUERéduire votre impact sur l’environnement et

décarbonner votre process brasage

UNE OFFRE COMPLETE

Appareils

Accessoring

Consommables

Services

Garanties


9

Un éco-procédé fortement décarbonant

Emprunte Carbone globale réduite de 94%

Emprunte CO2 réduite de 92%

1 poste équipé = économie carbone équivalente à 30 000 kms en voiture


10

Tempo

q MINISTÈRES : Education Supérieure et Recherche, Ecologie Développement Durable Energie,

Redressement Productif ;

q INSTITUTIONNELS & FINANCIERS : BPI France, Transferts-LR, Région-LR, l’Europe, Carsat (Médecine du Travail), INRS, Pôle de Compétitivité DERBI, Mécatronique LR, ADEME, UBIFRANCE ;

q SCIENTIFIQUES : CNRS, Université Montpellier II, ICG Montpellier, IES Montpellier, Polytech

Montpellier & Nantes, LGMPA Nantes ;

q ACCOMPAGNEMENT DE L’INNOVATION : Incubateur de l’Ecole des Mines d’Alès, Languedoc-

Roussillon Incubation, Réseau Synersud, Business Innovation Center de Montpellier Agglomération,

Créalia.

Un Eco-système réunis autour de Bulane


11

Une Start’Up reconnue par les institutions

Trophée d’Argent « Procédé Durable »

Energaïa 2009

Lauréat 2010 du Concours d’Aide aux

Entreprises de Technologies Innovantes

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche & Oséo Innovation

Tempo

Gagnant du Défi Jeune Envie d’Agir 2007

Ministère de la Jeunesse et des Sports

Lauréat Concours Talents 2008Innovation Technique et Technologique

Trophée INDUSTRIE 2011Catégorie Ligne VerteDéveloppement Durable

Trophée CAPTRONIC 2011Catégorie Jeune Entreprise

CIEN Paris 2011

Cleantech Open France 20143 Ministères / Ademe / KIC Climate EU

Grand Prix Objectif LR 2015CleanTech Ambassadrice COP 21


12


13

Membranes & Nouvelles Electrodes Composites (NCE® Technology)

Une technologie d’électrolyse dopée aux nano-matériaux ……drivée par la philosophie du Design to Cost !

Design To Cost

Electrodes dopées au nano matériaux

Architecture de

l’électronique de contrôle optimisée

Nouveaux standards de

l’électronique de puissance

Design mécaniques et électro-chimiques

spécifiques aux applications ciblées

(brevets en cours)

(brevets en cours)

(brevets en cours)

(brevet déposé)

> des électrolyseurs inédits(poids/encombrement/fonctionnalités/performances/prix)


14

Une CleanTech brevetée unique…

… permettant d’augmenter significativement les performances des

électrolyseurs, et/ou de diminuer leurs poids/encombrements.

Famille de brevets : 1 FR/PCT, 3 en cours

de dépôt (2014), +5 prévus sur 2015.

Famille de marques : 3 déposées, 2 en

cours de dépôt.


15

Décrochages de particules

métalliques avec la production

de gaz à la surface d’électrode

Nouvelles Electrodes Composites – NCE® Technology : Fabrication d’électrodes pour l’électrolyse alcaline de l’eau sous la forme d'un film mince à base de matériaux catalytiques micro ou nanostructurés et d’un polymère (liant) conducteur ionique (ou polyélectrolyte).

i

Liquide

gaz

Support

Un exemple de

film obtenu par

cette méthode

objet de

l’invention.

Une CleanTech brevetée unique…

… issue de 7 ans de R&D et offrant des performances probantes.

Courbe

comparative de

performances.


16

Production du support collecteur de courant

Production du matériau actif

ASSEMBLAGE DE L’ELECTRODE COMPOSITE

DonDonDonDonnéenéenéenéenéenées ns ns ns ns ns non on on conconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconcontratratratratratratratratratratratratratractuctuctuctuctuctuctu

SupportEncre composite aqueuse Grille Collecteur de Courant Plaque Collecteur de Courant

« NEW COMPOSITE ELECTRODE »

VERROUS :o Nouvelles

formulations

o Sourcing des

composants

o Peu de prestataires

o Scale’Up

VERROUS :o Assemblage des

composants

o Tenue mécanique

o Qualité &

Reproductibilité

Un Programme Collaboratif dynamique et efficaceNouvelles Electrodes Composites pour une évolution technologique inédite


17

« Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et

l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur

et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »

Jules Verne - L’Île mystérieuse - Partie 2, Chapitre 11 - 1874

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