La micro-cogénération
La micro-cogénération, en particulier domestique, consiste à utiliser le même procédé que la cogénération à des puissances beaucoup plus faibles (de l’ordre du kW) pour des habitations individuelles.
La micro-cogénération est le procédé consistant à produire simultanément dans la même installation de l’énergie thermique et de l’énergie mécanique (électrique).L’énergie thermique (la chaleur) étant utilisée pour produire le chauffage et la production d’ECS (d’eau chaude sanitaire), à l’aide d’un échangeur. L’énergie mécanique est transformée en énergie électrique grâce à un alternateur. Cet énergie est soit utilisée par l’installation ou bien revendu à EDF.
Un système de micro-cogénération regroupe donc trois fonctions en un seul produit :
- chauffage
- eau chaude
- et électricité.
Le ratio entre la chaleur et l’électricité produit par un système de micro-cogénération dépend de la technologie utilisée dans notre cas il s’agit de la pile à combustible à gaz.
La pile à combustion (P.A.C)
La pile à combustible est la technologie la plus évoluée pour la micro-cogénération.
En particulier, c’est la technologie qui permet d’obtenir les meilleurs rendements électriques (de l’ordre de 30 à 50 % en fonction du type de pile).
En conséquence, le rendement global d’une micro-cogénération par pile à combustible peut atteindre jusqu’à 175 %. D’autre part, une chaudière à condensation couplée au système de micro cogénération permet d’assurer le complément des besoins de chauffage et d’eau chaude et de garantir le niveau de confort. Celle-ci fournit un appoint de chauffage pendant les périodes de grand froid ou lorsque la demande en eau chaude augmente.
Principe de fonctionnement
Le principe de la pile à combustible a été démontré en 1839 par le Britannique Sir William GROVE. Il réalisa la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau, en utilisant des électrodes de platine poreux et de l’acide sulfurique comme électrolyte. La pile à combustible est également appelée PAC bien qu’elle n’ait rien à voir avec la pompe à chaleur. Le principe de l’appareil repose sur la formation d’un courant par dissociation des molécules d’hydrogène au contact d’une substance libératrice (un catalyseur), captés par une électrode, les électrons libérés du noyau d’hydrogène fournissent de l’énergie en alimentant un circuit électrique, tandis que les noyaux traversent une membrane poreuse derrière laquelle ils retrouvent leurs électrons et réagissent avec l’oxygène de l’air pour former de l’eau qui est la réaction nécessaire à la bonne marche de l’ensemble.
Composition d’une P.A.C
Une cellule de pile à combustible se compose de 3 couches de diffusion de gaz de 50µm et de 2 fois 200µm, de 2 plaques bipolaires d’épaisseurs de 5mm, de 2 couches de collecteurs de courants de 1mm et de 2 plaques de compressions d’épaisseur de 10mm.La pile à combustion à gaz.Le gaz réagit avec l’oxygène contenu dans l’air ambiant dans un cœur de pile en céramique qui fonctionne à haute température pour former de la vapeur d’eau.La réaction d’électrolyse, qui est comparable à celle d’une pile, produit de l’électricité.Cette même réaction dégage en même temps de la chaleur.Elle est récupérée et utilisée pour les besoins en chauffage et en eau chaude de la maison.
Si le principe de fonctionnement d’une pile à combustible est simple, il reste certains problèmes de taille à résoudre : le coût de l’extraction, les émissions de CO2, le prix de revient du kWh généré, l’autonomie (dans le cas d’un véhicule).
Ces dispositifs permettent en effet de produire de l’électricité à partir de gaz en ne rejetant que de l’eau.
Les piles que l’on parvient à réaliser actuellement ont un énorme inconvénient car elles nécessitent un énorme apport de chaleur pour fonctionner (la production d’électricité ne démarre qu’à la température de 1 000 °C environ), elles se détériorent donc rapidement et offrent un intérêt réduit du fait que cet apport obligatoire d’énergie qui nuit à environnement.
La solution se trouve dans un nouveau composé, un oxyde constitué de fer et de strontium, de formule chimique SrFeO2 qui peut réagir avec ces mêmes ions oxygène dès 280 °C. Le potentiel est donc énorme et prépare la conception de piles plus robustes dans le temps et moins gourmandes en chaleur pour fonctionner.
Ce nouvel oxyde est un très bon conducteur d’ions, mais aussi un excellent conducteur de courant un inconvénient que les concepteurs de piles à combustible essaient d’améliorer, car une partie de l’électricité générée est perdue.
Le rendement
Certaines piles à combustible (du type MCFC a carbonate fondu ou plus prometteuse, SOFC à « oxyde solide ») fonctionnent à haute température (de 650 a plus de 1 000 °C). avec l’avantage de fournir de l’électricité et par cogénération, l’énergie de chauffage et l’eau chaude sanitaire. Ces piles se contentent en outre de gaz naturel (le procédé casse les molécules de méthane). Ce procédé produit 30 % de CO2 de moins qu’une chaudière de cogénération classique (turbine à cycle combiné gaz et vapeur).
Les piles à combustible sont surdimensionnées pour l’habitat individuel et trop chères en raison de leur statut semi-expérimental, mais elles sont déjà utilisées à titre expérimental pour l’habitat collectif : l’Office public de HLM de Pans expérimente à Paris une pile MCFC pour alimenter en chauffage (180 kW) 283 logements et revendre l’électricité (230 kW) à EDF.
L’intérêt de ce procédé est intéressant et prometteur, car en obtenant une réaction chimique inverse de celle de l’électrolyse de l’eau, consistant à associer de l’hydrogène et de l’oxygène. Ce procédé consiste à casser les molécules (liaison avec le carbone), cette réaction produit de l’électricité et rejette de l’eau (H2O). Le matériel intègre un système de reformage du gaz naturel qui est transformé en hydrogène. La pile à combustible produit ainsi 1 kW électrique et environ 650 Watts thermiques avec un rendement global supérieur à 90 %. Cette pile à combustible permet de réaliser des économies d’énergie avec un impact réduit sur l’environnement tout en produisant de l’électricité au prix du gaz naturel. La technologie est au point et finalisée, mais tout le travail de développement futur consiste à optimiser le système pour en baisser tous les coûts de revient. La mise sur le marché est prévue pour les 10 prochaines années. La technologie employée :
– SOFC (Solide Oxyde Fuel Cell).
– Puissance électrique : 1 kW
– Pile à combustible en complément d’un corps de chaudière à condensation
Les avantages et inconvénients
Avantages :
-La pile à combustible transforme le gaz naturel et l’oxygène en électricité et en chaleur, et ce dans un processus électrochimique dépourvu de bruit et pratiquement d’émissions polluantes(CO2).
-Economie d’énergie primaire
-Le coût de l’extraction élevé, les émissions de CO2, le prix de revient du kWh généré, l’autonomie (dans le cas d’un véhicule), la rareté des stations-service délivrant de l’hydrogène et surtout la dangerosité de l’hydrogène, car il faut le stocker sous une énorme pression ou sous sa forme liquide à conserver à 250 °C sous zéro). Dans les deux cas, le réservoir devient une véritable bombe en cas de collision.
Inconvénients :
Le coût de l’extraction élevé, les émissions de CO2, le prix de revient du kWh généré, l’autonomie (dans le cas d’un véhicule), la rareté des stations-service délivrant de l’hydrogène et surtout la dangerosité de l’hydrogène, car il faut le stocker sous une énorme pression ou sous sa forme liquide à conserver à 250 °C sous zéro). Dans les deux cas, le réservoir devient une véritable bombe en cas de collision.
