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Report
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 pour les bâtiments (15/01/2015)
La pile à combustible constitue une réponse
performante et durable aux enjeux des
bâtiments responsables
60%
Rendement
maximal d’une
pile à combustible
SOFC, meilleur
qu’une centrale
électrique, la
récupération des
pertes en plus !
Installée 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
La pile à combustible pour les bâtiments (15/01/2015)
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La pile à combustible dans
les bâtiments : une
application stationnaire
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L’énergie dans les bâtiments du XXIeme siècle
La pile à combustible pour les bâtiments (15/01/2015)
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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
L’odorant du gaz doit être retiré
Qualité du gaz
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 ?
La pile à combustible fonctionne au gaz naturel
Chauffage
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 (environ
1 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
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 %
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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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Exemple d’une installation allemande
Pile à combustible
Chaudière d’appoint
Régulation
Module hydraulique
Ballon tampon
Seule la pile à combustible est un composant prototype.
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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 ?
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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
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
Test terrain
Test laboratoire
Commercialisation
Nouveaux usages
EPILOG
Couplage avec véhicule électrique, batterie,
photovoltaïque via une solution de HEMS
En collaboration avec la
Direction Recherche et Technologies
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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
Projet ENE.FIELD
Projet européen impliquant de
nombreux fabricants
Projet EPILOG
Piloté par GrDF et
soutenu par l’ADEME
500 installations en
Europe d’ici fin 2015
dont 30 en France
3 installations à Forbach
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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 tertiaire
Les 2 premières piles gaz naturel dédiées aux maisons individuelles ont
été installées début avril 2014 en Alsace (Hagenau et Munschhausen),
dans des maisons récentes
Ces piles sont des piles à combustible Baxi Innotech, du groupe BDR
thermea
Elles 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 auprès
des 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 pour
atteindre les objectifs
Projet soutenu par l’ADEME dans le cadre de l’Appel
à Projet TITEC 2013
Coût total :  400 k€
Durée : 30 mois (démarrage début février 2014)
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)
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Caractéristiques du système Viessmann
Vitovalor 300-P
thermique
électrique
Intégration d’un module pile
PANASONIC
1,0 - 20 kW
0.75 kW
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20 kW
Émissions acoustiques : 49 dB(A)
Installation et mise en
service aisée
Traitement du gaz naturel
Module pile
Onduleur
(l) 595 mm
(l) 516 mm
(p) 480 mm
Stockage de chaleur
Brûleur additionnel
Ballon ECS
(p) 600 mm
(h) 1932 mm
(h) 1667 mm
Pays de livraison : Allemagne
(2014, Marché pilote)
Type C3TA
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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 régénération
pendant 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 chaudière
et 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 tête
thermostatique
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 avec
tête thermostatique
Régime de température
chauffage : 50/30 °C
Avis d’un bureau de contrôle
(Socotec) et de la
commission 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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Merci de votre attention !
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