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Applications stationnaires : Cap sur l'industrialisation !

Rédaction Industrie et Technologies
LES DEMONSTRATIONS DE PILES A COMBUSTIBLE DANS LE DOMAINE STATIONNAIRE NE MANQUENT PAS. SI DES AMELIORATIONS TECHNIQUES SONT ENCORE NECESSAIRES, L'INDUSTRIALISATION EST LE VRAI DEFI A RELEVER.
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C'est dans des marchés de niches que les piles à combustible (PAC) stationnaires auront vu leurs premières applications commerciales. Pour l'approvisionnement de secours, ou les relais de télécommunication isolés. La demande de solutions alternatives y est forte, les contraintes d'installation réduites et la question du coût...secondaire. Pas étonnant  que certains acteurs des PAC se soient délibérément positionnés sur ces créneaux, comme Axane, filiale d'Air Liquide créée en 2001. « Nous avons choisi de nous concentrer sur des niches d'application afin de valider la technologie et d'engranger des retours d'expériences » affirme Patrick Sanglan, PDG d'Axane.

Les premiers projets d'Axane, initiés en 1995 avec Renault, portaient sur l'automobile. Aujourd'hui, la filiale d'Air Liquide se focalise sur l'alimentation des relais GSM. « On considère qu'une PAC est rentable dès que le raccord au réseau est supérieur à 2 km, soutient Patrick Sanglan. De plus, dans ce domaine, un coût plus élevé de l'énergie est admis. »

L'an dernier, Axane a réalisé un test avec Bouygues Telecom dans la région toulousaine. « L'essai ayant été concluant, nous démarrons l'installation de 10 relais GSM dans des régions où l'accès au réseau électrique est difficile » note Patrick Sanglan. Idem en Grèce avec Vodafone, dans le nord du Québec et en Espagne.

Côté technologie, Axane a parié sur la PEMFC, PAC à membrane échangeuse de protons, technologie laplus mature mais dont le prix reste élevé à cause des électrodes en platine. « Nous avons choisi la technologie qui devrait émerger dans l'automobile en pariant sur le fait que ce marché tirera les coûts vers le bas, confie Patrick Sanglan. Même s'il reste certains points techniques à améliorer, nous mettons à présent l'accent sur l'industrialisation pour réduire les coûts. »

Autre application de niche où une offre commerciale émerge : les blocs de secours pour les centres de données informatiques, les hôpitaux, les industries sensibles ou les télécommunications. Dans ces domaines, les avantage des PAC sont multiples : autonomie importante, maintenance réduite, durée de vie plus longue, fiabilité et impacts réduits sur l'environnement.

Spécialiste de la disponibilité des infrastructures informatiques, l'américain APC a avec le canadien Hydrogenics lancé en juin dernier aux Etats-Unis - et en février en France - , un groupe de secours de 30 kW (3 modules de 10 kW) adapté aux armoires 19 pouces. Alimenté par bouteille d'hydrogène, il utilise la technologie PEM. « Beaucoup de nos clients ont besoin d'une autonomie qui dépasse une heure ce qui les contraint à avoir une grande quantité de batteries ou leur propre générateur, ce qui n'est pas toujours autorisé » explique Thierry Nicolet d'APC. Aujourd'hui, ces blocs de puissance ne permettent pas de se passer totalement de batterie car il leur faut une dizaine de secondes pour délivrer leur puissance maximale. Le modèle proposé est donc hybride, batterie et PAC, et son coût est de 20 000 € pour 10 kW. « Cette solution est rentable jusqu'à 60 à 80 kW » souligne Thierry Nicolet.

En France, Hélion, la filiale d'Areva créée en 2001, a également avancé dans les solutions de secours. Un bloc de 20 kW nets vient d'être développé et un système de 30 kW sera bientôt installé au siège du CEA pour la sauvegarde du centre de crise nucléaire. Hélion envisage le développement de systèmes atteignant 50 kW courant 2006. Bien qu'il s'agisse là encore d'une technologie PEM, la solution d'Hélion fonctionne à partir d'oxygène pur fourni par bouteille, et non à partir d'air comme APC. « Cette technologie offre un démarrage plus rapide et une plus grande fiabilité » explique Patrick Bouchard, président d'Hélion. Une offre commerciale clé en main, Syspac, devrait apparaître courant 2008. « Question coût, il nous faut encore gagner un facteur 3, estime le directeur. Cela nous semble faisable grâce à une optimisation du système et à une industrialisation du procédé. »

Là où la question du coût est plus critique, c'est pour les applications de cogénération dans le résidentiel ou le tertiaire. Dans ce domaine, les coûts doivent être réduits d'un facteur 10 !

Sur cette application, la filiale de Véolia Environnement, Dalkia, a mené de nombreux essais sur le terrain. Depuis 2003, elle évalue trois technologies : SOFC (oxyde solide), PEMFC et MCFC (carbonates fondus). Dans le cadre du projet Piles en régions, trois piles PEM de l'Allemand Vaillant sont installées depuis février 2004 et septembre 2005 dans des logements collectifs et un réseau de 10 logements individuels. A ce stade, les résultats montrent que d'un point de vue environnemental, les oxydes d'azote et de carbone ne sont présents qu'à l'état de traces et les nuisances sonores quasi-inexistantes. Par contre, le rendement global (chaleur et électricité) est en deçà des résultats prévus en laboratoire. Il n'atteint 70 % au lieu de plus de 80 % envisagés. « Nous travaillons avec le constructeur pour faire évoluer le système, souligne Michèle Bellon, directrice générale adjointe de Dalkia. Nous sommes encore en phase d'expérimentation. »

Une autre technologie de pile, MCFC en l'occurrence, est en cours d'installation à Paris. Elle alimentera 283 logements HLM. « Nous voulions une pile de plus de 200 kW avec des garanties industrielles. Le seul industriel capable de nous fournir un tel produit était l'allemand MTU CFC qui a équipé de nombreux sites en Allemagne » affirme Michèle Bellon.

Si les constructeurs de PAC sont nombreux, aucun n'est encore entré dans une phase de développement industriel affirmé. Tous sont dans la course pour être le premier à développer le procédé le plus performant, offrant à la fois une plus grande durée de vie et des coûts réduits. « En terme d'industrialisation, le plus avancé semble être le constructeur Rolls-Royce », estime Paul Lucchese, directeur des nouvelles technologies de l'énergie au CEA. Le britannique a en effet inauguré en juin dernier une ligne de production automatisée de composants céramiques pour piles SOFC. Il entend mettre sur le marché avant fin 2008 un système hybride d'1 MW. « En associant une turbine à gaz pour récupérer le combustible non utilisé, il est possible d'atteindre des rendements totaux de près de 70 % » assure Paul Lucchese.

L'Allemand Siemens Westinghouse est également très actif dans l'industrialisation des piles SOFC. Cependant, « son architecture cylindrique est moins performante et plus chère » estime Paul Lucchese.
Les SOFC constituent un véritable enjeu pour la filière stationnaire. La raison de cet engouement tient à leur mode de fonctionnement qui nécessite des températures de 800 à 1000 °C. Ces températures permettent d'utiliser directement les hydrocarbures, comme le gaz naturel. De plus, la chaleur est exploitée en cogénération ce qui augmente considérablement le rendement. « Contrairement aux MCFC qui fonctionnent également à haute température (650 °C), les SOFC sont porteuses d'innovations. Le coût des matériaux peut être réduit et leur architecture optimisée », affirme Paul Lucchese.

Seul problème, la France manque d'industriels pour développer cette nouvelle technologie. De fait, les SOFC sont très peu étudiées sur le territoire. Seule et unique tentative, une pile issue d'un procédé de fabrication breveté du CEA fait l'objet du programme Gecopac alliant le CEA, Dalkia, Snecma Moteurs et la Région centre qui accueillira le premier prototype d'ici 2 ans dans un lycée. Une maquette de 1 kW a été créée et un prototype de 5 kW est en cours de fabrication. L'objectif ultime est d'atteindre une puissance de 500 kW...

Outre le résidentiel et le tertiaire, les systèmes de cogénération - voire de trigénération -, ont également un grand intérêt dans les unités industrielles pour lesquelles un apport continu de chaleur, de vapeur ou de froid est nécessaire au process. Ainsi, sur le site Michelin à Karlsruhe (Allemagne), une MCFC a fonctionné pendant 3 ans et fourni quelque 250 kW électrique et de la vapeur à 200 °C pour la vulcanisation des pneus. Aux Etats-Unis, quelques boulangeries, brasseries ou fonderies ont opté pour des PAC, le plus souvent de technologie MCFC, pour les besoins en chaleur de leur process. Tout dernièrement, dans son atelier de production de St. Ingbert-Rohrbach, l'allemand Festo a installé une MCFC de l'allemand MTU CFC pour fournir électricité (225 kW) et chaleur (180 kW). Grâce à une machine frigorifique, l'énergie thermique est convertie en froid pour le process et la climatisation. « En plus de l'avantage environnemental, ce système présente un très bon rendement et apporte l'énergie exactement où il faut » affirme Bernd Bruy, directeur de l'usine.

Reste que ces applications industrielles se comptent encore sur les doigts de la main dans le monde. Et sont inexistantes en France. « Les besoins d'expérimentation et de démonstration sont indispensables pour valider les technologies, estime Patrick Bouchard d'Hélion. En France, les aides pour démonstrations sont difficiles à obtenir. Lorsqu'elles existent, elles atteignent au mieux 30 à 50 % de l'investissement alors que dans d'autres pays, elles se montent à 80 %, voire à 100 % via des commandes de démonstration et de pré séries. C'est un vrai sujet de préoccupation pour expérimenter nos développements et poursuivre l'industrialisation de nos solutions. » A bon entendeur...
Stéphanie Cohen


Rolls-Royce tient la corde

2008. C'est la date à laquelle le Britannique Rolls-Royce entend mettre sur le marché une pile à combustible stationnaire commercialement viable. En collaboration avec EnerTek Singapore, le constructeur souhaite accélérer l'industrialisation d'une pile SOFC hybride (PAC et turbine) de 1 MW.
En juin dernier, Rolls-Royce inaugurait sur le business park de l'université de Loughborough, la première ligne de production automatisée de composants céramiques. Cette unité devrait atteindre une capacité de production de plus de 1000 composants par semaine. Elle est composée d'équipements et technologies issues de BTU International (Etats-Unis), Nutek (Singapour) et DEK Printing Machine (Royaume-Uni).
« Rolls-Royce est l'un des acteurs les plus avancés en terme d'industrialisation, estime Paul Lucchese directeur des nouvelles technologies de l'énergie au CEA. Il dispose d'un design de pile original et breveté. » Le design des composants et l'assemblage de blocs multiples semblent être au cÅ“ur de cette technologie. Mais le Britannique reste pour l'heure très discret sur le sujet...

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