La toute première pile à combustible tri-génération promet de réduire le gaspillage d'énergie, les coûts et les rejets associés
Près de la moitié de la consommation mondiale d'énergie primaire sert à produire de l'électricité, au chauffage et au refroidissement. Dans sa grande majorité, cette énergie vient de centrales qui perdent près de 70 % de l'énergie qu'elles consomment. Un tel gaspillage est inacceptable, car il conduit à rejeter des quantités considérables de CO2 et à des coûts de fonctionnement trop élevés. Ces problèmes pourraient être réglés en abandonnant les systèmes classiquement centralisés de génération d'électricité, au profit de techniques efficaces de génération sur site. Dans ce contexte, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) représentent une option prometteuse. Les piles à combustibles SOFC associent l'hydrogène et l'oxygène dans le cadre d'une réaction électrochimique afin de générer de l'électricité. Les sous-produits sont de la vapeur d'eau, de la chaleur et une faible quantité de gaz carbonique. L'hydrogène peut venir d'hydrocarbures comme le gaz naturel, largement disponible pour les habitations et les immeubles publics. Pendant 3 ans, l'équipe du projet TRISOFC a cherché à perfectionner les SOFC en réalisant un prototype peu coûteux, durable, et fonctionnant à (relativement) faible température (LT), pour générer de l'électricité et assurer le chauffage et le refroidissement. Le Dr Mark Worall de l'université de Nottingham, coordinateur de TRISOFC, détaille les résultats du projet qui s'est officiellement achevé fin juillet: «L'équipe a conçu, optimisé et réalisé un prototype de LT-SOFC tri-génération, en intégrant une nouvelle pile LT-SOFC et une unité de refroidissement dessicatif.» Le système comprend également un système de génération du gaz de reformage à partir du carburant, et des équipements connexes (dits Balance of Plant ou BoP) pour les aspects électriques, mécaniques et de contrôle. Les particularités de TRISOFC Le système de TRISOFC dispose de plusieurs caractéristiques uniques, qui le distinguent de tout ce qui l'a précédé. En particulier, il fonctionne de 500 à 600 degrés Celsius, alors que les SOFC fonctionnent généralement de 800 à 1000 degrés Celsius. «C'est important», précise le Dr Worall, «car ceci permet de fabriquer les BoP et les autres composants exposés à ces températures avec des matériaux moins coûteux comme de l'acier inoxydable, et donc de réduire le coût des matériaux et des composants.» En outre, la LT-SOFC utilise un seul matériau nanocomposite, inventé par une équipe dirigée par le professeur Binzhu Zhu du KTH, l'un des partenaires du consortium. Ce matériau est totalement unique car il peut servir d'anode, de cathode et d'électrolyte. «Là encore, ceci peut réduire les coûts et la complexité, et renforcer la fiabilité et la durabilité», ajoute le Dr Worall. Enfin, le système a été intégré à un ensemble de refroidissement et de déshumidification en cycle ouvert pour assurer le chauffage, le refroidissement et le stockage de la chaleur. C'est une nouveauté pour les piles à combustibles et peut augmenter leur rendement en utilisant la chaleur dégagée (actuellement 40 à 50 % de l'énergie consommée sont gaspillés). Le Dr Worall souligne: «Dans notre système, la chaleur dégagée par la SOFC sert à reconcentrer la solution. C'est une forme de stockage de la chaleur, qui nous permet de faire fonctionner la pile à combustible lorsque nous n'avons pas besoin de refroidissement, et de l'utiliser en cas de besoin. Notre solution a trois avantages principaux. Elle a le potentiel d'augmenter jusqu'à 85 à 95 % le rendement de la conversion d'énergie d'une SOFC, qui est actuellement de 45 à 55 %. Elle réduit la demande en électricité pour le conditionnement de l'air (et ainsi elle réduit la consommation primaire d'énergie et les rejets de gaz carbonique). Et enfin, elle réduit l'usage de systèmes de réfrigération à compresseurs, dont les fluides de travail peuvent avoir un effet de serre s'ils sont libérés.» Éprouver le système de tri-génération LT- SOFC L'équipe a démontré le concept du système de tri-génération LT-SOFC. Le Dr Worall attire l'attention sur deux points particulièrement importants des résultats: «Les tests de LT-SOFC planaires de 6 cm x 6 cm ont montré une densité de puissance de 1.100 W/cm² avec 22 W en sortie, à 530 degrés Celsius. Les chercheurs travaillent à des piles de 200 We, et devraient arriver à démontrer une génération d'électricité à grande échelle et faible température.» «En outre, les tests du système de déshumidification ont montré un coefficient de performance supérieur à 1. Ce coefficient est le rapport du refroidissement fourni sur l'entrée totale en énergie. C'est donc un paramètre clé des performances… En termes de conversion, notre refroidisseur alimenté par la chaleur est compétitif avec les autres systèmes.» L'impact de TRISOFC Le concept ayant été démontré, les prochaines étapes seront de prouver la durabilité à long terme, d'agrandir l'échelle de la production, et de réduire les coûts plus avant. Le Dr Worall et son équipe attendent de leur système qu'il ait un impact notable à plusieurs niveaux: «Ce tout premier système de pile à combustible à tri-génération peut augmenter l'utilisation de l'énergie disponible, réduire les coûts, la consommation primaire d'énergie et les rejets, ajouter de la valeur, et favoriser une génération décentralisée de l'énergie.» Et ce sont les consommateurs qui pourraient ressentir le plus les avantages, comme l'explique le Dr Worall: «La plupart des immeubles utilisent une énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement et l'électricité. En générant de l'électricité en local, les consommateurs peuvent revendre leur production excédentaire (selon le coût local de l'énergie, les incitations et les tarifs), réduire la demande en eau chaude et chauffage, et limiter l'électricité utilisée pour le refroidissement. Et comme nous proposons les trois pour le prix d'un, les consommateurs en retireront des bénéfices financiers et réduiront leur impact sur l'environnement.» L'équipe estime qu'un système LT-SOFC de tri-génération tout intégré, ainsi que chacun de ses composants, dispose d'un bon potentiel de commercialisation. «Nous collaborons activement avec des entreprises et des utilisateurs pour mettre au point des systèmes et sous-systèmes commodes, fiables et rentables», conclut le Dr Worall. Pour plus d'informations, veuillez consulter: TRISOFC http://trisofc.com/
Pays
Royaume-Uni
