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Une pile à combustible venue du Japon

François Ploye |  le 22/05/2012  |  TechniqueInternationalFrance entièreEuropeProduits et matériels

Énergie -

L’ouverture d’un centre de recherche Panasonic sur la pile à combustible à Langen (Allemagne) doit servir à préparer l’arrivée du constructeur japonais sur le marché européen.

L 'annonce faite par Panasonic, il y a six mois, d’ouvrir dans son centre de recherche européen à Langen en Allemagne, une unité dédiée à la pile à combustible pour l’habitat illustre les ambitions mondiales du constructeur japonais dans ce domaine. Le PFCOE (Panasonic Fuel Cell Development Office Europe) a comme mission d’adapter au marché européen un microcogénérateur à pile à combustible alimenté au gaz. Baptisé « Ene-Farm », cette chaudière gaz déjà commercialisé au Japon depuis plusieurs années est destinée au marché domestique. Panasonic l’a développé en collaboration avec Tokyo Gas et en a déjà vendu plusieurs milliers d’exemplaires depuis 2009, grâce aux soutiens financiers des pouvoirs publics nippons. L’enjeu est d’optimiser l’appareil aux spécificités du gaz naturel utilisé en Europe.

Une technologie propre

L’hydrogène utilisé dans la pile à combustible est un simple vecteur énergétique, qui peut être produit à partir de combustibles carbone (fossiles ou bois) ou comme produit dérivé d’un process industriel. Dans le cas de l’Ene-Farm, l’hydrogène est produit dans la chaudière à partir de gaz de ville. La pile à combustible fonctionne à l’inverse d’un électrolyseur. Elle génère du courant électrique continu en mélangeant l’oxygène contenu dans l’air avec l’hydrogène ainsi produit. Cette oxydo-réduction produisant des molécules d’eau est propre, sauf si des impuretés sont contenues dans l’hydrogène. La réaction dégage aussi de la chaleur qui est récupérée via un échangeur pour produire de l’eau chaude (sanitaire et chauffage). Le rendement global du microcogénérateur peut ainsi dépasser 90 %. Le rendement du module électrique seul d’une pile à combustible ne dépasse pas 60 %.
Les piles à combustibles sont classées en plusieurs grandes familles en fonction de l’électrolyte et du catalyseur utilisés, qui déterminent en particulier leur plage de température de fonctionnement et donc le temps de démarrage de la réaction et la compacité de la pile. Ces différents éléments conditionnent aussi le coût et la durée de la vie de la pile, et font que telle technologie sera plutôt utilisée pour des applications mobiles (comme les voitures) et telle autre préférée pour les usages stationnaires, de type industries ou bâtiments. En fonction de la technologie employée, la pile sera aussi plus ou moins sensible aux impuretés contenues dans l’hydrogène.

Schéma de principe
Schéma de principe

L’avenir passe par l’oxyde solide

Quatre familles de piles ont trouvé des applications dans le bâtiment. La pile Ene-Farm est de type PEM (Proton exchange membrane), une technologie robuste qui fonctionne aux alentours de 80 °C et démarrant rapidement. Sa puissance peut couvrir une gamme allant de 0,7 kW (téléphones mobiles) à plus de 1 000 kW, pour les immeubles d’habitation.

Mais pour les industriels japonais, l’avenir réside dans la technologie SOFC à oxyde solide, dont la gamme de puissance inférieure à 2 kW répond aux besoins du petit résidentiel. Le frein actuel réside essentiellement dans un maintien des performances initiales qui ne dépasse guère deux à trois ans. Le changement de technologie doit permettre de diviser le coût de revient du système par trois par rapport au modèle actuel, permettant de faire décoller le marché. Par ailleurs, leur fonctionnement à très haute température, entre 650 et 1 000 °C, permet dans le même module de générer l’hydrogène par reformage du combustible carbone (gaz naturel, bois, kérosène, méthane…).

(Très) lente au démarrage

La conséquence de cette température de fonctionnement élevée, outre les problèmes de sécurité posés, est un temps de démarrage de la chaudière qui peut atteindre vingt-cinq heures pour atteindre la pleine puissance. Un microcogénérateur à pile à combustible qui fonctionne au gaz, comme l’Ene-Farm, ajoute aux dangers connus du gaz ceux spécifiques à l’hydrogène. Il faut en particulier éviter les fuites intempestives d’hydrogène (par exemple du fait d’une porosité des joints) et le mélange involontaire avec l’oxygène de l’air. En effet, le frottement de certains vêtements peut suffire pour provoquer l’explosion. Un risque réel dans un local fermé et mal ventilé. La conception du matériel doit aussi tenir compte des risques éventuels d’émission de CO et de CO2 lors du reformage du gaz. L’Europe a publié, début 2009, un guide des bonnes pratiques intitulé « Installation Permitting Guidance for Hydrogen and Fuel Cells Stationary Applications (HYPER) », qui étudient les risques des installations d’une puissance inférieure à 10 kWe et à 50 kW au total. Comme les fuites de l’hydrogène, un gaz incolore, inodore et plus léger que l’air, est difficile à détecter. Le plus sûr en climat tempéré est d’installer le cogénérateur à l’extérieur.

Village de Maebaru
Village de Maebaru

Le Japon investit massivement

La chaudière Ene-Farm fait partie d’un projet réunissant plusieurs fabricants japonais et qui illustre l’implication massive du Japon dans le développement de la cogénération par pile à combustible. Un programme pilote a permis d’installer dans des résidences de 2005 à 2007 plus de trois mille systèmes PEM à cogénération à partir de gaz, kérosène et propane. En juin 2008, six gaziers japonais ont annoncé l’unification de leurs différents matériels de microcogénération sous la dénomination commerciale « Ene-Farm ». Trois constructeurs Panasonic, Toshiba et Eneos Celltech les fabriquent. Au démarrage de la commercialisation courant 2009, le gouvernement japonais prenait en charge la moitié des coûts d’installation. L’objectif est d’arriver à plus de 20 000 unités installées d’ici à fin 2012. L’enjeu pour ce pays pauvre en ressources naturelles est d’exploiter le gaz naturel avec un meilleur rendement. Malgré un bon rendement électrique, le rendement global des grandes centrales au gaz est, en effet, moindre du fait des pertes de chaleur. En décentralisant la production d’électricité et en la rapprochant du consommateur, la cogénération devient envisageable et fait grimper le rendement global.

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