Démonstration de la première pile à combustible industrielle à oxyde solide alimentée au biogaz
Une pile à combustible est un générateur électrochimique, alimenté par la réaction chimique d’un combustible avec un agent oxydant (généralement de l’oxygène). Cette réaction diffère de la combustion, dans la mesure où la pile produit de l’électricité plutôt que de la chaleur et des gaz d’échappement. Les différents types de pile à combustible sont désignés selon leur matériau d’électrolyte. Par exemple, les piles à combustible à hydrogène classiques emploient un électrolyte polymérique dérivé du Téflon. Une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) utilise un électrolyte qui contient un oxyde solide (mieux connu sous le nom de céramique). Un précédent projet financé par l’UE, l’initiative SOFCOM, a développé un système de polygénération basé sur la SOFC. Le générateur a fonctionné à l’aide de combustible à biogaz obtenu à partir d’un traitement des eaux usées. Le système était en mesure de fonctionner dans des configurations de refroidissement, de chauffage et d’alimentation (PCCE), ce qui signifie qu’il a été capable de recueillir la chaleur résiduelle, tout en récupérant l’ensemble du CO2 de l’usine (le carbone s’est accumulé sous la forme de micro-algues). À l’instar de toutes les SOFC, le système SOFCOM a fonctionné à des températures très élevées, générant une conversion électrique efficace. Le générateur SOFCOM était un prototype à petite échelle destiné à faire la démonstration du bien-fondé de la conception. En termes d’émissions et d’efficience, le système figure à la première place du classement mondial dans la classe située sous le mégawatt.
Première démonstration à grande échelle
Le projet DEMOSOFC, financé par l’UE, a appliqué, analysé et amélioré la technologie de SOFCOM et en a fait la démonstration à grande échelle au sein d’une usine de traitement des eaux usées près de Turin en Italie. Comme le prototype original, la version de démonstration a également été alimentée à l’aide d’un biogaz neutre en carbone, obtenu suite à la décomposition des composants organiques dérivés de l’assainissement des eaux usées municipales. L’usine DEMOSOFC constituait la première démonstration mondiale d’un système SOFC important (+ 100 kW) alimenté au biogaz. «Nous avons conçu, installé de zéro, fait fonctionné et maintenu une usine PCCE totalement basée sur une SOFC alimentée au biogaz», explique le professeur Massimo Santarelli, coordinateur du projet. «Elle produit 110 kilowatts d’électricité et 45 kilowatts d’énergie thermique.» C’est suffisant pour alimenter plusieurs habitations ou bureaux. La puissance de sortie était légèrement plus faible que les 174 kW anticipés, car le projet n’a reçu que deux des trois modules SOFC commandés auprès du fournisseur.
Un fonctionnement efficient et propre
Au terme d’environ trois années de fonctionnement et de tests en conditions réelles, le projet a montré que pendant 80 % du temps de fonctionnement, l’usine parvenait à une efficacité supérieure à 50 % en termes de conversion électrique à partir de biogaz vers un courant CA, avec un pic enregistré à 58 %. Pendant près de la moitié du temps de fonctionnement, l’efficacité globale était comprise entre 80 et 90 %. Les émissions atmosphériques, si tant est qu’il y en ait eu, se situaient en dessous du seuil de détection des instruments. Les résultats ont fait la preuve du caractère abordable et de la faisabilité de l’usine de démonstration. «Nous disposons désormais de toutes les connaissances nécessaires sur la conception et l’installation d’une usine basée sur une SOFC à des fins d’application industrielle, tout en minimisant les coûts associés», ajoute Massimo Santarelli. «Nous sommes également rompus au fonctionnement quotidien, y compris la logistique de contrôle et les procédures de sécurité.» Ces résultats seront applicables au fonctionnement futur d’usines similaires. En deuxième lieu, le projet est parvenu à faire la démonstration d’une unité de nettoyage au biogaz, qui empêche les polluants néfastes d’atteindre la pile à combustible. Dans le cadre du suivi du projet, les membres de l’équipe ont engagé des discussions avec plusieurs utilisateurs finaux de poids, afin de répliquer l’usine DEMOSOFC. Même en limitant l’application de la technologie aux usines de traitement des eaux usées en UE, le potentiel de réplicabilité est immense (environ 2 à 5 GW). Cela pourrait représenter un marché initial intéressant qui servirait de premier pas vers une ère d’énergie verte 100 % propre.
Mots‑clés
DEMOSOFC, SOFC, biogaz, SOFCOM, électricité, eaux usées, pile à combustible à oxyde solide, énergie verte
