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 !
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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
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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 ?
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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 %
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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
Année de construction : 1980
Année de rénovation : 2008
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
Année de construction : 1970
Année de rénovation : 2014
Emetteurs : plancher chauffant
Régime de température chauffage : 50/30 °C
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