La Pile à combustible en Lorraine

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LETTRE D’ INFORMATION DES PARTENAIRES RÉGIONAUX DU PROJET EPACOP
L’avenir
Éclairer, chauffer, produire des biens,
l'énergie fait partie de notre quotidien.
Véritable innovation, la pile à combustible
produit localement de l'électricité et de
la chaleur avec un rendement élevé.
Polyvalente, elle sera un outil très
efficace dans les années à venir et
trouvera sans conteste de nombreux
débouchés. Pour cette raison, le projet
EPACOP (Expérimentation de Piles
à Combustibles de petite taille sur sites
Opérationnels) prend de plus en plus
d'importance en France.
L'une des cinq piles implantées
en France dans le cadre de ce projet
est expérimentée en Lorraine.
Depuis ses prémices, le projet est porté
par de prestigieux partenaires régionaux :
collectivités territoriales et locales,
laboratoires, organismes de recherche,
écoles. Ces acteurs phares de la recherche et du développement en Lorraine
ont contribué à faire avancer cette
science nouvelle, aux côtés de Gaz de
France, instigateur du projet et de
l'Ademe (Agence de l'Environnement et
de la Maîtrise de l'Énergie).
Comprendre les enjeux du développement
durable au travers de ce procédé est
fondamental. Les partenaires du projet
l'ont bien compris et investissent chaque
jour pour leur région et, au delà, pour le
futur énergétique de la planète.
Comment fonctionne la
pile
On vous explique le procédé !
a pile fonctionne selon un principe
si m ple : l'u tilisation c om bin é e
d'hydrogène et d'oxygène entraîne des
réactions électrochimiques qui produisent
du courant continu qui est ensuite
transformé en courant alternatif.
Les réactions électrochimiques sont
accélérées par des catalyseurs, celles-ci
dégagent de la chaleur qui pourra ensuite
être valorisée.
L
Air ambiant Courant
(O2)
continu
Gaz riche en
hydrogène
Gaz
naturel
L'hydrogène est couramment obtenu dans
un réacteur chimique, appelé réformeur,
par transformation de tout combustible
possédant des atomes d'hydrogène :
gaz naturel mais aussi méthanol,
essence, etc.
Pour cet usage, l'énergie la plus utilisée
reste le gaz naturel qui possède des atouts
essentiels liés à sa disponibilité et à sa
propreté. L'oxygène, quant à lui, est
obtenu à partir de l'air ambiant.
CONVERTISSEUR
ELECTROCHIMIQUE
REFORMEUR
CONVERTISSEUR
ELECTRIQUE Courant
alternatif
Chaleur
Le principe d’une pile à combustible
Cet ingénieux système de co-génération
production simultanée d’électricité et de
chaleur par le contact de deux corps
simples, fut découvert par William
Grove, avocat britannique passionné de
physique, en 1839.
L’intérieur d’une pile à combustible
Les partenaires du projet EPACOP en Lorraine
DRIRE Lorraine
Découvrez le projet
La pile…
pourquoi
Une implicati
Une énergie propre
ssocié à une exploitation optimale de
la chaleur, le rendement élevé des
piles à combustibles permet de
diminuer notablement les émissions
atmosphériques (gaz à effet de serre,
Nox...).
A
DUNKERQUE
L'augmentation de rendement des piles
qui résultera des recherches menées à
travers le monde et, dans certains cas,
l'utilisation d'hydrogène produit sans
recours à des énergies fossiles devraient
renforcer encore ces avantages environnementaux.
DOUAI
PARIS
NANCY
FEYTIAT
Quelles applications pour
la pile à
combustible
es applications offertes par la pile à
combustible sont nombreuses et
concernent directement des appareils
utiles au quotidien.
• En application stationnaire, les piles à
combustibles sont au plus près des
utilisateurs. Elles sont destinées à fournir
de l'électricité et de la chaleur, voire du
froid, aux bâtiments industriels, tertiaires
(hôpitaux, centres commerciaux, hôtels...)
et résidentiels.
© PSA Peugeot-Citröen
L
EP
• Dans le domaine automobile, la pile
à combustible trouve un terrain
d'application adéquat : traction des
véhicules lourds et légers et alimentation
des auxiliaires.
• En application embarquée, la pile à
combustible a un avenir plus que
prometteur. Les nouveaux téléphones et
ordinateurs portables sont de grands
consommateurs d'énergie, ce qui limite
leur autonomie. Ainsi, l'utilisation de la pile
à combustible apportera une plus grande
facilité de recharge en s'affranchissant du
réseau électrique.
SOPHIA
ANTIPOLIS
Les autres sit
Laboratoires d’expérimentation
Paris > Ecole des Mines
Douai > Ecole des Mines
Sophia Antipolis
> Centre scientifique et technique
du bâtiment
Piles de
Dunkerque
Aggloméra
Sophia Ant
Une pile nouve
Prototype du véhicule équipé d’une pile à
combustible Peugeot H20 : une voiture de
pompiers révolutionnaire
Le projet
EPACOP en France
es avancées de la recherche sur
la technologie de la pile à
combustible marquent la volonté
gouvernementale de développer une
nouvelle solution énergétique davantage
respectueuse de l’environnement.
Gaz de France prend en charge la
réalisation technique et le suivi complet
de l'expérience en partenariat avec
l'ADEME (Agence de l'Environnement et
de la Maîtrise de l'Énergie), qui contribue
au financement de la recherche.
Le Ministère de la Recherche encadre le
projet EPACOP (Expérimentation de Piles
à Combustible de petite taille sur sites
Opérationnels), via le réseau PACO
(réseau technologique "Piles à
Combustible"). Initié en 1999, ce réseau
a pour mission de travailler à la préparation
d’une technologie de pile à combustible
commercialement viable.
Leur travail porte aujourd’hui ses
fruits ! Depuis 2003, cinq piles de
type PEMFC (Pile à Membranes
Échangeuses de Protons) sont
opérationnelles sur des sites
expérimentaux, afin d'étudier, dans un
contexte industriel et résidentiel, la
production électrique et thermique d'une
pile à combustible (voir carte ci-contre).
L
es projets de parcs éoliens qui se multiplient
prouvent bien qu'en matière d'écologie et de
développement durable, la Lorraine est en
bonne place.
Depuis février 2003, une pile à combustible de
type PEMFC, éclaire et chauffe le bâtiment de
l'ENSAIA (École Nationale Supérieure d'Agronomie
et des Industries Alimentaires de l'INPL de Nancy).
Cette pile H-power (premier constructeur américain
impliqué dans le projet) a fonctionné près de
2000 heures. Bilan satisfaisant, malgré des
pannes liées aux annexes du système, à savoir
la batterie et le réformeur. Le cœur de pile, quant
à lui, a bien répondu aux expériences menées
conjointement en laboratoire et sur le terrain.
L
Le prototype expérimenté en Lorraine
CARACTÉRISTIQUES NOMINALES DE LA P
Dimensions : 1,73 m (hauteur)
1,88 m (longueur) • 0,81 m (largeur)
Combustible : gaz naturel
Puissance électrique nette/
Points de fonctiont : 2,5, 3 et 4 kW
Configuration électrique :
en parallèle avec le réseau électrique
Sortie électrique : courant alternatif
220VAC à 50Hz
PACOP en Lorraine
Rencontres
ion régionale
epuis de nombreuses années, la Région Lorraine
se démarque en favorisant la création de pôles
de recherche et développement dans le domaine
de l'environnement. Forte de ses atouts, elle a su
à nouveau valoriser son savoir faire et se positionner
comme leader. En effet, sur le projet global
EPACOP, Nancy a été retenu pour accueillir une
des piles en test sur un site de l'INPL et 3 laboratoires lorrains (sur 6 au niveau national) ont
été choisis pour contribuer à ce projet.
D
3 Laboratoires d’expérimentation à Nancy
> Le Groupe de Recherche en Electrotechnique
et Electronique de Nancy (GREEN)
> Le Laboratoire des Sciences et du Génie
Chimique de Nancy (LSGC)
> Le Laboratoire d’Energétique et de Mécanique
Théorique et Appliquée de Nancy (LEMTA)
Site d’expérimentation de la pile nancéienne,
type PEMFC
> Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL)
tes en France
type PEMFC expérimentées sur site
e > Centre de Commande de Trafic
> Bureau annexe de l’Hôtel de Ville de Petite Synthe
ation de Limoges > L’Hôtel de Ville de Feytiat
tipolis > Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
elle génération
Elle a pu assurer un rendement thermique de
40 % et un rendement électrique de 15 %,
mais les résultats obtenus ne sont pas encore
à la hauteur de ceux escomptés (le système en
place n’étant pas complètement optimisé).
Suite à la fusion, en juillet 2003, de H-power avec
Plug Power (autre constructeur américain), une
pile de troisième génération, Gensys 4C, est
opérationnelle sur le site d'expérimentation
lorrain. Les résultats ne sont pas encore connus
à ce jour, mais l'optimisme est de rigueur, ils
promettent en effet d’être en hausse par rapport
à la première génération de pile installée sur site.
CONSEIL RÉGIONAL DE LORRAINE
M. PATRICK ABATE,
VICE-PRÉSIDENT DÉLÉGUÉ AUX
INTERVENTIONS ECONOMIQUES EN FAVEUR
DES INDUSTRIES INNOVANTES, DE L'AIDE
GENSYS 4C PROTOTYPE PEMFC
M. DAVAT,
PROFESSEUR INPL
AU CONSEIL ET DU TRANSFERT
DE TECHNOLOGIE.
Depuis février 2003, une pile à combustible
alimente en électricité et en chauffage un
bâtiment de l'École Nationale Supérieure
d'Agronomie et des Industries Alimentaires.
Quelles sont les atouts de la Lorraine ?
Il y a en Lorraine de la recherche de qualité,
avec des laboratoires spécialisés dans les
matériaux, dans la gestion des énergies et
dans l'électronique. Ces laboratoires
contribuent au développement technologique
et industriel de la pile à combustible.
Quel est l’objectif de cette
expérimentation ?
Il s'agit d'étudier le fonctionnement du
dispositif en situation et sur une longue durée,
pour analyser son rendement thermique et
électrique par rapport au dispositif en
laboratoire.
Le savoir-faire lorrain a-t-il pesé
dans la balance lors du choix des
sites expérimentaux ?
Bien sûr, c'est l'un des aspects, mais pas le
seul. Nous avons en Lorraine l'association
ALPHEA qui, depuis 2000, se développe
fortement en direction du monde industriel,
avec des collaborations nationales et
européennes. ALPHEA, c'est l'outil de veille
stratégique le plus important d'Europe pour
la filière hydrogène et pile à combustible.
La pile a fonctionné environ 2000
heures. Quelles sont les causes des
dysfonctionnements ?
Nous avons les résultats des 5 piles installées
en France et la nature des pannes est très
différente. Elles concernent rarement le
cœur de pile lui-même, plutôt les systèmes
annexes comme les circuits d'alimentation.
Et la moitié des pannes vient des batteries.
Des améliorations sont bien sûr attendues.
Suite à la fusion de Hpower avec
Plugpower, une nouvelle pile
(Gensys 4C) à été installée sur le site
de l'INPL. Avez vous déjà constaté
des améliorations ?
Grâce à toutes les améliorations et progrès
accomplis depuis le début de l'expérience,
cette nouvelle génération de pile, même à
l'état de prototype, augure de meilleurs
résultats, notamment un rendement électrique
plus élevé.
D'après vous, la pile à combustible
va-t-elle trouver sa place dans les
énergies propres ?
Je ne vois pas pourquoi, dans un mix
énergétique de plus en plus complexe, il
n'y aurait pas de niches pour des procédés
énergétiques très différents. Les applications
sont suffisamment nombreuses en résidentiel
et en mobile. La question qu'il faut se
poser est QUAND ce procédé verra le jour.
Une chose est sûre, le développement
industriel sera effectif. Mais nous ne
savons ni quand ni comment ces piles
seront disponibles sur le marché.
En quoi la pile à combustible
est-elle un projet d'avenir ?
C'est un système qui utilise mieux le gaz
naturel. À ce niveau, par rapport aux solutions
energétiques existantes, le rendement est
meilleur, la pollution moindre, et avec la
technique de l'électrolyse à haute température,
nous croyons en une énergie très propre
pour les années à venir.
La pile serait donc un système complémentaire des systèmes existants ?
Oui, ce système pourra être utilisé en
parallèle des systèmes connus et maîtrisés
à ce jour.
(Voir tableau des caractéristiques de la Gensys 4C, ci-dessous.)
PILE
INSTITUT NATIONAL
POLYTECHNIQUE DE NANCY
Ancienne
pile installée
à l’INPL
Puissance thermique nette : 3 à 9 kW
Rendement électrique : 26% pour 2,5kW
25% pour 4kW
Rendement global : 55% pour 2,5kW
60% pour 4kW
Emissions sonores : < 70dBA à 1 mètre
Emissions polluantes : NOx<5ppm,
SOx<1ppm, CO<50ppm
Sources : études Gaz de France
Nouvelle pile
Gensys 4C
Rencontres
ADEME
ALPHEA
GAZ DE FRANCE
M. ANTOINE,
M. BELLO,
INGÉNIEUR
“TECHNOLOGIES AVANCÉES”
INGÉNIEUR
M. LENOC,
INGÉNIEUR
CHARGÉ D'ACTIVITÉS
Quelle est la place de la pile
à combustible dans le marché
de l’énergie ?
Avec le défi du changement climatique et la
nécessité d’une énergie à moindre contenu
en carbone, de nouveaux concepts de
production décentralisée d'électricité fondés
sur des installations de plus faibles capacités,
modulables et situées proches des lieux de
consommation émergent peu à peu.
Dans ce contexte de mutation du marché
de l’énergie, la pile à combustible apparaît
comme une option technologique très prometteuse par sa modularité, son rendement
énergétique élevé, ses performances environnementales intéressantes et par son
fonctionnement possible en cogénération.
Quelles sont les missions d'ALPHEA ?
ALPHEA est une association dotée d'une
structure opérationnelle : le pôle de
compétence sur l'hydrogène. Notre activité
se décline selon trois axes : veille technique,
économique et réglementaire sur l'hydrogène
et la pile à combustible ; études techniques
et économiques ; projets et animations sur
l'hydrogène et la pile à combustible.
Nous travaillons pour l'industrie, des
laboratoires de recherche et des établissements d'enseignement supérieur. Nous
sommes également soutenus par certaines
collectivités territoriales (Conseil Régional
de Lorraine, Communauté d'Agglomération
de Forbach, Porte de France, Communauté
d'Agglomération de Sarreguemines
Confluences).
Quelle est l’implication de l’ADEME
dans le domaine des piles à
combustible et dans le projet
EPACOP ?
De par sa politique en matière d’énergie et
d’environnement, l’ADEME s’est intéressée
aux piles à combustible de diverses
manières avec notamment, l’animation de
réseaux de compétences, le soutien à des
programmes de R&D, l’information et le
conseil aux pouvoirs publics et aux maîtres
d’ouvrages potentiels.
La volonté de l’ADEME de s’associer au
projet EPACOP s’inscrit dans la continuité
de son rôle dans ce domaine notamment
d’accompagnement au développement
d’une filière à haut rendement énergétique,
et s'explique aussi par la possibilité qu’offre
cette expérimentation de recueillir une
somme d’informations précieuses sur la
réalité technico-économique de telles
installations.
Pourquoi vous impliquer dans le
projet EPACOP ?
Gaz de France, a fait appel à nous dans le
cadre d'une convention régionale, pour
réaliser une étude technique, réglementaire
et économique sur les conditions d'installation
de piles à combustible dans le secteur
résidentiel en Allemagne. Un choix qui
s'explique par le nombre élevé de
constructeurs et d'exploitants de systèmes
qu'on peut y trouver, et par l'important
retour d'expériences qui s'ensuit.
“Veille, Études, Projets”
Comment voyez vous l'utilisation de
la pile à combustible dans les
années à venir ?
La pile à combustible peut fonctionner
directement avec de l'hydrogène pur ou issu
de la transformation de combustibles largement distribués, comme le gaz naturel ou le
GPL. Elle pourrait donc trouver un terrain
d'application dès 2010. Pour les applications
portables (téléphones mobiles, ordinateurs),
elle devrait rapidement devenir une solution
intéressante, ces technologies réclamant
toujours plus d'énergie. Leur autonomie et leur
mobilité s'en trouveraient fortement augmentées. Le potentiel est tout aussi élevé dans le
secteur des transports, mais à plus long
terme. La mise sur le marché de systèmes
grand public ne devrait pas voir le jour avant
les années 2015 à 2020.
Quelle est l'implication de Gaz de
France dans le projet EPACOP ?
Gaz de France a décidé en 2001 de monter
ce projet d'expérimentation, en lien avec les
acteurs régionaux, des instituts de recherche,
des écoles d'ingénieurs et des industriels.
La Direction de la Recherche Gaz de France
est à la fois maître d'œuvre et maître d'ouvrage
du projet. Nous intervenons pour chacune
des cinq unités sur site, avec l'appui technique
de Cofatech Services, filiale de Gaz de
France, qui elle à ce titre assure le
pilotage du programme de recherche
associé.
Pourquoi transformer l'hydrogène ?
L'hydrogène n'est pas source d'énergie
mais vecteur d'énergies. Il n'existe pas à
l'état naturel. Il faut donc le produire à partir
de combustibles fossiles comme le gaz
naturel. A plus long terme, on pourra en
produire à partir d'énergies renouvelables,
celle des éoliennes par exemple, ou encore
la biomasse.
Quelle est la position actuelle de
Gaz de France sur le développement
durable ?
Gaz de France a créé une Direction du
Développement Durable, chargée de promouvoir les énergies propres. La Direction
de la Recherche, quant à elle, est un appui
technique. Elle a pour mission d'éclairer le
groupe et notamment cette Direction du
Développement Durable sur les potentiels
de différents procédés comme celui de la
pile à combustible.
La recherche sur la pile à combustible
s'inscrit sur le long terme.
Quelles sont les différentes étapes du
développement d'un projet à long
terme comme la pile à combustible ?
L'Europe a décidé de croire aux potentiels
de l'hydrogène et de la pile à combustible.
Elle a notamment créé une plate-forme
technologique européenne sur le sujet.
Une feuille de route a également été élaborée,
instituant des étapes technologiques et
économiques à franchir de 2000 à 2050,
pour accélérer le développement et le
déploiement des piles à combustible.
Les verrous technologiques sont encore
nombreux. C'est pourquoi l'effort de
recherche se concentre actuellement sur la
diminution des coûts et l'augmentation de
la fiabilité.