Conférence de l’écoconstruction du 15 janvier 2015 L’énergie dans les bâtiments du XXIeme siècle La pile à combustible pour les bâtiments La pile à combustible

Conférence de l’écoconstruction du 15 janvier

2015

L’énergie dans les bâtiments du

XXIeme siècle

La pile à combustible pour

les bâtimentsLa pile à combustible pour les bâtiments (15/01/2015)

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La pile à combustible constitue une réponse performante et durable aux enjeux des bâtiments responsablesInstallée dans les bâtiments résidentiels et tertiaire, la pile à combustibles est la technologie de cogénération la plus performante

Bien placée pour la future réglementation thermique, la pile à combustible permet aux clients finaux de : – Réduire ses consommations et son impact environnemental (GES et

polluants) tout en garantissant un niveau élevé de confort

– Améliorer l’indépendance énergétique des bâtiments et des territoires

– Soutenir le réseau électrique et équilibrer la production d’énergie renouvelable

Plusieurs milliers de systèmes sont installés dans le monde (Japon, US) et en Europe (Allemagne)

Après de nombreux tests en laboratoire, les premiers tests terrain français ont été lancés en 2014 :– EPILOG (France) : 3 piles à combustibles installées à Forbach

– ENEFIELD (Europe) : 1000 piles à combustibles en Europe

60%Rendement

maximal d’une pile à

combustible SOFC, meilleur

qu’une centrale électrique, la récupération

des pertes en plus !

La pile à combustible pour les bâtiments (15/01/2015)

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La pile à combustible dans les bâtiments : une application stationnaire

Conférence de l’écoconstruction du 15 janvier 2015L’énergie dans les bâtiments du XXIeme siècle


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Des différentes applications de la pile à combustible, la cogénération dans les bâtiments semble la plus prometteuse

La production de chauffage (voire de froid) et d’électricité décentralisée dans les bâtiments

La production d’électricité seule (connectée au réseau ou en secours)

Le stockage d’énergie (en quantité variable)

Les transports via les véhicules à pile à combustible


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La cogénération est la production simultanée d’une énergie thermique et une énergie électrique à partir d’une énergie primaire

Dans notre cas :– L’énergie thermique est utilisée pour produire de la chaleur

– L’énergie électrique est obtenue au travers d’un onduleur

– L’énergie primaire est le gaz naturel


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Le principal intérêt de la cogénération est sa haute efficacité énergétique

Entre 20% et 45% plus efficace que des productions séparées, jusqu’à 60 % de rendement électrique

Une production locale, au plus proche du lieu de consommation, qui réduit les pertes en ligne

Une production complémentaire aux productions d’électricité EnR pour réduire la pointe saisonnière et gérer les intermittences de disponibilité


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Les différentes technologies :un compromis performance/durée de vie


Etapes du reformage

Type de pile

PEFC PAFC MCFC SOFC

Composants principaux Polymer, carbon and platinum

Phosphoric Acid and Platinum

Nickel, Lithium Zirconia, Nickel

Température (°C) 80 - 160 180-200 650 500 - 900

Fuel processor (FP) Le gaz naturel doit être converti en hydrogène

Alimentation directe en méthane

Qualité du gaz L’odorant du gaz doit être retiré

Capacité de cyclage Haute (>4000) Bonne Basse Nulle ou basse (<300)

Durée de vie (h) Jusqu’à 80 000 Jusqu’à 80 000 Jusqu’à 40 000 Jusqu’à 20 000

Rendement électrique avec alimentation au

gaz naturel

30-40 % 40-45 % 45-50 % 45-55 %

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La pile à combustible, chaudière de demain ?


1. Traitement et transformation du gaz naturel en H2 (reformer device)

2. Réaction avec de l’O2 dans le cœur de pile (stack), pour produire de l’électricité via un onduleur (environ1 kWe pour une maison individuelle)

3. Récupération et valorisation de la chaleur produite

4. Complément des besoins de chaleur (chauffage et ECS) assuré par un brûleur d’appoint

Chauffage

La pile à combustible fonctionne au gaz naturel

2 grandes technologies de pile à combustible pour l’habitat :– Basse température (PEMFC) : rendement électrique jusqu’à 40 %

– Haute température (SOFC) : rendement électrique jusqu’à 60 %

https://www.google.fr/search?q=clipart+input&hl=fr&gbv=2&tbm=isch&prmd=ivns&ei=RqiaU8rIGsGm0AW1yYHoAw&start=20&sa=N

Une installation simple dans les bâtiments

La pile à combustible est un système de production décentralisée d’électricité et de chaleur :– La chaleur est utilisée pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire dans un

logement (couplage avec une chaudière performante)

– Le rendement électrique s’étale de 35 à 60% : l’électricité est auto-consommée ou revendue

9La pile à combustible pour les bâtiments (15/01/2015)

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Seule la pile à combustible est un composant prototype.

Pile à combustible

Régulation

Ballon tampon

Chaudière d’appoint

Module hydraulique

Exemple d’une installation allemande


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Exemple dans un immeuble d’habitation


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Les piles à combustibles : un produit innovant en phase de test terrain. Quel potentiel de développement ?Conférence de l’écoconstruction du 15 janvier 2015L’énergie dans les bâtiments du XXIeme siècle


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Contexte et enjeux :pointe électrique et efficacité énergétique

Réseau électrique français de plus en plus sollicité

Volonté politique et contexte réglementaire toujours plus contraignant en terme de performance énergétique : Réussir la Transition Energétique en respectant les objectifs– Européens : Paquet Energie Climat (3x20)

– Français : Grenelle de l’Environnement (BEPOS et -38 % d’énergie dans l’existant) et Loi de transition énergétique

Intérêt grandissant des utilisateurs pour l’autoconsommation et l’autoproduction d’électricité (consom’acteur)


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La cogénération peut répondre à plusieurs besoins sur différents types de bâtiments

La production électrique (BT) est autoconsommée et/ou revendue sur le réseau

La cogénération concerne la construction neuve ou les projets de rénovation sur les secteurs d’activité suivants (les plus favorables) :– Habitat collectif

– Piscines

– Bureaux

– Hôtels

– Etablissements d’enseignement

– Etablissements de santé

Le secteur résidentiel devrait être le premier adressé par les piles à combustible, avant le tertiaire


Les meilleures performances pour un produit gaz

Un produit inscrit dans la stratégie de développement de produits efficaces

Un contexte international favorable à la baisse des prix :– 250 000 micro-cogénération installées dans le monde dont 50 000 piles à

combustible

– Ventes mondiales : 60 000 micro-cogénération / an (< 5 kWe) dont 7 000 en Europe


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En synthèse, un produit performant bientôt prêt pour le marché

Production décentralisée d’électricité « haute performance » pour soulager le réseau électrique en période de pointe

Technologie « très haute efficacité énergétique » au service de la transition énergétique

Production « globale » électricité / chaleur pour couvrir les besoins de la maison

Installation équivalente à celle d’une chaudière à condensation

Très faible niveau de bruit (< 30 dB) et des émissions de polluants (NOx) quasi-nulles

Maintenance limitée



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De nombreux tests en laboratoire, la phase de test en conditions réelles a commencé en France en 2014


2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Test laboratoire

En collaboration avec la Direction Recherche et Technologies

Test terrain

CommercialisationNouveaux usages

Couplage avec véhicule électrique, batterie, photovoltaïque via une solution de HEMS

EPILOG


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Focus sur deux projets de démonstration



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GrDF accompagne le déploiement de la technologie sur le marché à travers 2 projets majeurs

3 installations à Forbach


500 installations en

Europe d’ici fin 2015

dont 30 en France

Projet ENE.FIELD Projet EPILOG Piloté par GrDF et

soutenu par l’ADEMEProjet européen impliquant de

nombreux fabricants


Projet Ene.field : Déployer la pile à combustible au gaz naturel en Europe

Un projet européen : 9 fabricants, 4 énergéticiens, 26 partenaires, 12 Pays, d’un budget total de 61 M€, le projet a démarré fin 2012, pour une durée de 5ans.

Ene.Field donne une impulsion à la technologie Pile à combustible en déployant plus de 1000 unités en Europe chez des particuliers, à travers 12 états membres.


Ene.field : Les 2 premières installations en maison individuelle en France

Une trentaine de piles à combustible vont être installées en France, la plupart en maisons individuelles, voire en petit tertiaireLes 2 premières piles gaz naturel dédiées aux maisons individuelles ont été installées début avril 2014 en Alsace (Hagenau et Munschhausen), dans des maisons récentesCes piles sont des piles à combustible Baxi Innotech, du groupe BDR thermeaElles ont été installées par De Dietrich (du groupe BDR Thermea également) et sa filiale d’installation maintenance Servelit


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EPILOG : des tests terrain à Forbach pour préparer l’introduction sur le marché

Test en conditions réelles, sur 3 sites, du produit Viessmann (bon compromis performance/durée de vie et compacité)

Consortium d’acteurs reconnus couvrant tous les maillons de la chaine

Evaluation de la performance sur 2 années complètes

REX Clients et Installateur

Préparation des outils pour la montée en compétence de la filière : installation et maintenance

Contribution à l’intégration de la technologie dans la réglementation thermique

Communication permettant de promouvoir la technologie auprèsdes pouvoirs publics, de la filière et des maitres d’ouvrage


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EPILOG : une nécessaire adaptation au marché français

Qualité du gaz naturel et pression de distribution

Conditions d’installation et évacuation des produits de combustion

Réseau électrique (tension – fréquence)

Intégration réglementaire(sécurité et RT)


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EPILOG : Organisation du projet pouratteindre les objectifs

Lot 1 : Coordination du Projet (GrDF)

Lot 2 : Choix

des sites (GrDF,

Viessmann, Crigen, Costic)

Lot 3 : Instrumen

tation (Viessmann,

Crigen, Costic)

Lot 4 : Installation (Viessmann,

Costic)

Lot 5 : Suivi des sites (GrDF, Viessmann, Crigen, Costic)

Lot 6 : Valorisation des résultats (GrDF, Viessmann, Crigen, Costic)

Projet soutenu par l’ADEME dans le cadre de l’Appelà Projet TITEC 2013

Coût total : 400 k€

Durée : 30 mois (démarrage début février 2014)


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(h) 1667 mm

(p) 480 mm

(l) 516 mm(h) 1932 mm

(p) 600 mm

(l) 595 mm

Caractéristiques du système Viessmann Vitovalor 300-P

Traitement du gaz naturelModule pile

Onduleur

Stockage de chaleurBrûleur additionnel

Ballon ECS

Type C3TA

Pays de livraison : Allemagne (2014, Marché pilote)

Intégration d’un module pilePANASONIC

Émissions acoustiques : 49 dB(A)

Installation et mise enservice aisée


0.75 kW

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 kW

1,0 - 20 kWthermique

électrique

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Caractéristiques du système Viessmann Vitovalor 300-P – Détails module pile

Puissance électrique : 750 W

Puissance thermique : 1 kW

Rendement électrique = 37 %

Rendement global = 90 %

Mode de fonctionnement : piloté par chaleur / optimisé par courant

1 marche/arrêt par jour : 20 h de fonctionnement puis régénérationpendant 3 h

Durée de vie en fonctionnement : 60 000 h

Nombre de démarrages : 4 000

Séparation circuits intégrée par échangeur à plaques


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Caractéristiques du système Viessmann Vitovalor 300-P – Détails module chaudièreet stockage

Appoint : Chaudière Vitodens 222-W

Puissances :

– Chauffage : 10 - 19 kW

– ECS : 10 – 30 kW

Rendement : 109 % (PCI)

170 litres stockage eau chauffage

46 litres stockage ECS

Ensemble du système (hydraulique et électrique)entièrement connecté dans le caisson


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Caractéristiques des bâtiments retenus

Maison du gardien du gymnase spécialisé et de l’école de musique

Localisation : rue de Remsing

Constitution du foyer : 3 personnes

Surface : 84 m2

Année de construction : 1978

Année de rénovation : 2013

Emetteurs : radiateurs avec têtethermostatique

Régime de température chauffage :50/30 °C


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Caractéristiques des bâtiments retenus (3/5)

Crèche Arc en Ciel (1/2)

Localisation : avenue de l’Europe

Capacité d’accueil : 30

Surface : 170 m2



Emetteurs : radiateurs avectête thermostatique

Régime de températurechauffage : 50/30 °C

Avis d’un bureau de contrôle(Socotec) et de lacommission de sécurité


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Caractéristiques des bâtiments retenus (4/5)

Maison de la SCI CATLAURE II

Localisation : rue des Alouettes

Constitution des foyers : 2 x 3 personnes

Surface : 2 x 75 m2



Emetteurs : plancher chauffant

Régime de température chauffage : 50/30 °C


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Merci de votre attention !



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