Pile à combustible

Pile à combustible : l’avenir ?

Le chauffage est toujours en recherche de l’avenir. Alors qu’est annoncé la fin programmée du fioul, l’heure est à l’économie d’énergie, mais aussi à la préservation de l’environnement. Si les maisons BBC et à énergie positive se développent, il faut aussi trouver des principes qui permettent de l’appliquer partout et en toute occasion : la pile à combustible entrera-t-elle dans ce cas de figure ?

Le principe général de la pile à combustible

En fait, le principe de la pile à combustible remonte à plus de 150 ans et trouve des chercheurs comme Sir William Grove et Christian Friedrich Schönbein. Le principe consiste à récupérer, par un processus chimique, l’énergie d’un combustible, en l'occurrence l'hydrogène, en énergie électrique. C’est pour cela, d’ailleurs, qu’on la trouve également sous le nom de pile à hydrogène. En fait, le mélange d’hydrogène et d’oxygène produit non seulement de l’eau, mais aussi de l’électricité et de la chaleur.

Au cours des années, le procédé a évolué mais le coût trop élevé le spécialisait dans des domaines très particuliers comme la conquête spatiale car son développement était par trop coûteux pour le généraliser.

Toutefois, avec la recherche d’énergies conformes avec le respect de l’environnement, un développement vers l’automobile et la construction est relancé.

Ainsi, la pile à combustible permet d’éviter de transporter l’électricité sur de longues distances, de la produire sur place et de l’emmagasiner pour en proposer aussi bien cette électricité que de la chaleur.

Le fonctionnement

Le fonctionnement de la pile à combustible repose sur un double principe, celui de l’oxydation de l’hydrogène et de la réduction de l’oxygène qui permet de produire les différents éléments constituants que sont l’eau, l’énergie électrique et la chaleur, comme on l’a vu.

Deux électrodes apparaissent alors. Une anode qui émet des électrons et une cathode qui les reçoit. Ces deux électrodes sont séparées par un électrolyte pour le passage des ions.

C’est à partir de la tension électrique entre les deux électrodes qu’est obtenu ce rôle de générateur électrique. Le courant électrique obtenu étant continu, il est transformé en courant alternatif par un onduleur.

Sa composition

Pour bien fonctionner, toutes applications confondues, le système fait appel à de nombreux composants pour lui permettre de fonctionner. A savoir un réservoir, un compresseur d’air, d’un procédé de refroidissement, d’un convertisseur, d’un contrôle de commande avec des capteurs et des vannes, entre autres.

Les différentes technologies

Il existe différentes technologies pour la pile à combustible :

• Les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell) : leur rendement est de l’ordre de 50 % et les piles fonctionnent autour de 100° C. Elles existent en différentes puissances et fonctionnent très rapidement, ce qui les rend intéressantes dans le domaine de l’automobile, par exemple.
• Les piles à oxydes solides (SOFC pour Solid Oxyde Fuel Cell) : fonctionnant à très haute température, entre 800 et 1.000° C, elles sont aussi plus lentes à démarrer et nécessitent une parfaite isolation. Elles doivent aussi s’accompagner de composants capables de soutenir de telles températures. Le rendement est alors de plus de 80 %.
• Les piles à acide phosphorique (PAFC pour Phosphoric Acid Fuel Cell) : elles sont utilisées dans le domaine de la cogénération et fonctionnent entre 180 et 210° C. C’est l’un des principes les plus avancés en développement.
• Les piles à carbonates fondus (MCFC pour Molten Carbonate Fuel Cell) : leur rendement est très élevé, de l’ordre de 60 à 80 % et leur température de fonctionnement également, entre 500 et 700° C. Elles sont utilisées pour des productions de plusieurs dizaines de MW.
• Les piles alcalines (AFC pour Alkaline Fuel Cell) : ce sont celles qui sont utilisées dans le domaine aérospatial. Un rendement autour de 50 % pour un fonctionnement entre 65 et 90° C, tout en permettant de monter à 250° C.

Il existe aussi une technologie qui utilise le nickel comme catalyseur (MCFC) et d’autres encore au domaine de la recherche comme les Microbial Fuel Cell.
Enfin, il est question, ici, des piles à hydrogène, mais il existe aussi des principes fonctionnant au méthane (Direct Methane Fuel Cell), au gaz naturel ou à l’éthanol.

Le stockage du combustible

Précisément, si l’hydrogène est le combustible le plus souvent employé, c’est aussi parce que c’est la technologie la plus simple à mettre en œuvre et qui produit les meilleures densités de courant.

Par contre, il est plus délicat à utiliser puisque incolore, inodore et inflammable dans l’air. Il nécessite aussi de la place pour le stockage ce qui, dans certaines utilisations, peut devenir une contrainte. De nouvelles recherches sont en cours pour ce stockage, afin de le rendre encore plus sûr et plus compact.

Le rendement

Le rendement de la pile à combustible est un des éléments importants qui permet de réaliser des économies d’énergie qui viennent compenser le prix encore élevé du principe.

Ainsi, il peut être supérieur à 50 % et, dans le domaine électrique, souvent situé entre 30 et 50 %. Si l’on considère que ce qui n’est pas utilisé en électricité peut l’être en vapeur d’eau et, donc, en chaleur, le gain est encore bien meilleur. Dans le domaine de la micro-génération, le rendement global est alors bien plus conséquent.

Les avantages et les inconvénients de la pile à combustible

Avant de savoir si la pile à combustible est bien l’avenir dans le domaine du chauffage, vous avez certainement envie d’en connaître tous les avantages et les inconvénients pour vous laisser convaincre. Les voici résumés ici et vous pourrez constater que les avantages l’emportent très largement sur l’inconvénient majeur qui est le prix. La démocratisation du produit pourrait continuer à faire baisser ce tarif, cependant.

• Les avantages de la pile à combustible
  • L’un des gros avantages de la pile à combustible est que l’électricité produite permet ce qui est appelé l’autoconsommation, c’est-à-dire à pourvoir le fonctionnement de vos appareils indispensables comme le réfrigérateur, le congélateur, votre box et vos appareils en veille. On considère que ce principe couvre environ 80 % des besoins en électricité réels d’une maison.
  • Le rendement de la production de chaleur et d’électricité est particulièrement élevé.
  • L’économie de consommation de gaz naturel dans le domaine de la production d’eau chaude sanitaire et de chauffage est alors de l’ordre de 25 %.
  • Elle réduit aussi considérablement la facture d’électricité.
  • Le confort de chauffe est excellent.
  • Le principe fonctionne sans perte sur le réseau de distribution puisque la production s’effectue sur place. Cette perte du réseau se chiffre à 20 %, sinon.
  • Le fonctionnement est parfaitement économique, ce qui lui permet d’assurer une bonne rentabilité, malgré le coût élevé.
  • La pile à combustible est parfaitement respectueuse de l’environnement et permet une réduction de l’ordre de 50 % des émissions de CO2 du fait de la séparation entre chaleur et électricité.
  • Les démarches sont très simples puisque vous n’aurez qu’un contrat à remplir, sans autre intervention sur le réseau, comme stipulé à la fin de cet article, et aucun abonnement supplémentaire.
  • L’installation est pratiquement similaire à l’installation de tout autre principe de chauffage.
• Les inconvénients de la pile à combustible
  • Le principal inconvénient reste son prix, c’est certain, notamment pour le platine utilisé comme catalyseur au niveau des électrodes.
  • L’autre reproche qui pourrait lui être fait est de rester dépendant du gaz en partie, et donc de son prix, même s’il en réduit énormément la consommation.

Les applications

La pile à combustible peut être utilisée dans de nombreux domaines et pas uniquement celui du chauffage que nous verrons ensuite.
On peut ainsi la trouver dans tout ce qui touche au transport, que ce soit les voitures, les bus, les bateaux, etc., mais aussi dans le domaine aérospatial pour l’alimentation des satellites, ou dans le domaine de l’électronique dans le cas de leur miniaturisation.

Il reste encore à régler le problème du stockage dont il a été question et le fait que des énergies fossiles, comme le gaz naturel, sont nécessaires pour lui permettre de fonctionner, aujourd’hui, réduisant quelque peu l’atout environnemental final.

Le domaine du chauffage

Le rendement d’une pile à combustible est ainsi proche de 90 %, puisque ce qui n’est pas employé à produire de l’électricité est utilisé pour chauffer l’eau, qu’elle soit dans le système sanitaire ou dans le chauffage central. C’est pourquoi elle est actuellement développée dans ce domaine du chauffage avec des études lui permettant donc d’alimenter la plupart du courant électrique de la maison individuelle.

Et, comme nous le verrons par la suite, même avec une technologie en cours de développement et des prix encore hauts, il est possible, dès aujourd’hui, de rentabiliser une chaudière à micro-génération alimentée par une pile à combustible en quelques années, grâce aussi à des aides venant en appui.

Le principe est encore plus rentable dans le neuf, dont les besoins sont minimisés, mais se développe pour la rénovation.
Il existe aussi quelques cas où l’électricité non produite peut être revendue à EDF, mais le but est, avant tout, l’autoconsommation.

Si l'électricité produite est directement consommée, la chaleur produite est, par contre, stockée dans un ballon d’eau chaude qui sert pour les deux circuits : chauffage et sanitaire.
La pile à combustible est utilisée en priorité pour chauffer cette eau et la chaudière à condensation présente dans le système n’entre que comme complément en cas d’insuffisance.

Les combustibles

Il existe plusieurs alternatives pour obtenir l’hydrogène et le plus fréquemment utilisé, au moins dans le domaine du chauffage, est le gaz naturel. Le gaz a donc des origines fossiles qui permet de le décliner en gaz L, pauvre en énergie, et en gaz H, plus riche en énergie et en méthane, donc. Un réformeur présent dans la chaudière permet d’utiliser l’hydrogène présent dans le gaz.

Le biogaz est une alternative au gaz naturel et en phase de développement pour ne plus avoir recours aux énergies fossiles et proposer une énergie encore plus propre vis-à-vis de l’environnement. Il est issu de résidus, qu’ils soient végétaux ou alimentaires, et de lisier, dont la fermentation permet d’obtenir un mélange gazeux composé de méthane, d’oxygène et de dioxyde de carbone. Il offre les mêmes propriétés que le gaz naturel et peut alors être utilisé, de la même manière, dans le réseau public pour être également traité par les piles à combustible, notamment.

Le neuf et l’ancien

Les chaudières à micro-génération et les piles à combustible sont plutôt étudiés pour le domaine du neuf. Afin de suffire au chauffage et à l’électricité d’un logement, il est important que ce dernier bénéficie de toutes les autres techniques lui permettant de minimiser sa consommation énergétique naturellement, que ce soit par des ouvertures de technologie récente, une isolation parfaite, un système de ventilation bien pensé, des matériaux choisis, une orientation idéale, etc. C’est le principe idéal dans les bâtiments dits à énergie positive (Bepos).

L’utilisation d’un tel système n’est cependant pas exclu dans le domaine de la rénovation, mais la consommation de gaz naturel sera, bien évidemment, supérieure, puisque la chaudière devra se mettre en route plus souvent pour compenser l’insuffisance de chauffe de la pile, dans ce cas.

Des exemples de marques

Comme le notera le paragraphe sur les prix, en France, Viessmann développe ses modèles Vitovalor 300-P et Vitovalor 300-S sur deux technologies différentes.
De son côté, Vaillant a répondu au programme européen ene.field qui consistait à mettre en place 1.000 premiers appareils, entre 2015 et 2017, dans 11 pays.

Quelques interrogations

Alors, de nombreuses questions se posent, dont la première est de connaître le niveau de risque de l’hydrogène. Car c’est un fait, on craint toujours plus ce que l’on ne connaît pas ou que l’on n’a pas l’habitude d’utiliser. Cependant, la réponse est simple, avec l’énergie, le danger existe toujours, mais pas plus dans le cas de l’hydrogène que dans celui de gaz, par exemple. Aussi, vous ne craignez certainement pas votre chaudière à gaz, vous n’aurez pas plus de raison de craindre votre pile à combustible.

Si vous souhaitez savoir quelles modifications vous devrez apporter à votre installation électrique, vous pouvez également être rassuré, aucun changement n’est à effectuer sur l’installation. Par contre, il vous faudra un compteur électronique, celui-là même que vous avez peut-être déjà ou qui vous sera très bientôt installé, de toute façon. La seule véritable démarche que vous aurez à effectuer sera la signature d’une convention d’exploitation avec le gestionnaire d’électricité qui permet de l’informer de cette solution d’autoconsommation dont vous êtes désormais équipé, mais qui ne nécessite aucun compteur supplémentaire.

Enfin, contrairement à votre système de chauffage actuel, la pile à combustible, basée sur un principe chimique, est silencieuse et ne vous dérangera pas.

Une solution d’avenir ?

La question qui se pose alors est de savoir si l’hydrogène sera l’énergie du futur. Au-delà des risques et du stockage, beaucoup misent sur ce principe et Viessmann, pour n’en citer qu’un, après un objectif 2018 de 900 modèles de son Vitovalor 300-P en 2017, de 1.500 exemplaires en 2018, continue de monter la barre en prévoyant la commercialisation de 40.000 unités en 2019 sur le seul hexagone et bénéficie largement du soutien de l’Europe.

Au Japon, le principe est encore plus développé et permet d’offrir l’indépendance énergétique souhaitée. Plusieurs centaines de milliers d’appareils de ce type sont déjà en place et des constructeurs comme Toshiba, Panasonic ou Aisin Seiki sont déjà bien en place avec des prix qui, traduits en euros, se situent autour de 8.000.

Le prix

Il existe deux procédés parmi les plus évolués à ce jour, qui est celui que Viessmann a développé avec Panasonic, depuis quelques années, sur la technologie PEMFC, soit Proton Exchange Membrane Fuel Cell, et sous le nom de Vitovalor 300-P, et celui de Hexis, marque suisse appartenant également à Viessmann, avec technologie Solide Oxyde Fuel Cell, sous le nom de Vitovalor 300-S.

Le prix de la pile à combustible est l’élément le plus déterminant puisque le coût du système complet Vitovalor 300-P revient autour de 12.000 € H.T. et hors installation, en France, une fois déduites les aides. En réel et en fourniture, le prix est de 20.000 €. Il faut savoir que les aides ne sont pas exclusivement françaises mais proviennent aussi de l’Europe ou du constructeur lui-même, du moins pour ce qui concerne les premiers équipements vendus.

Pour exemple, en Allemagne, le Vitovalor 300-S est vendu 17.000 € H.T. à un installateur. Revendu au client avec la marge de l’installateur, la pose et la TVA, le prix final est d’environ 34.000 € TTC. Subventions déduites, le coût réel final est alors de 18.000 € TTC en fourniture et pose.

Pour mieux juger de l’intérêt d’un tel modèle, il faut aussi tenir compte de la durée de vie et de l’évolution de l’appareil au cours des années. Le rendement électrique s’évalue à 37 % et le rendement à 92 % sur Pouvoir Calorifique Supérieur. En fin de vie, le rendement électrique baissera pour descendre autour de 28 %.

Mais, puisqu’il est question de fin de vie, la durée de la pile qui était d’environ 70.000 heures, devrait, courant 2019, avec les évolutions technologiques, passer à 80.000 heures, soit atteindre une durée de vie d’environ 12 ans. La durée d’entretien de la pile sera alors de 5 ans et son fonctionnement quotidien pourra être de 22 heures, avec 2 heures de régénération. Une assurance de 10 ans comprenant maintenance et remplacement des pièces est chiffrée à 112 € par an, soit très proche de l’entretien d’un chauffage classique.

Selon les calculs réalisés, le surcoût de l’investissement est amorti sur une période de 7 à 9 ans grâce aux économies réalisées.