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La pile à combustible : un chauffage producteur d'électricité

La pile à combustible : un chauffage producteur d'électricité

La majeure partie de l'électricité en France est actuellement issue des centrales électriques. Avant de pouvoir utiliser l'énergie électrique sur une prise de courant, il faut souvent la transporter sur de longues distances. Il serait plus simple de pouvoir produire soi-même l'électricité nécessaire pour ses propres besoins. Et ceci est possible avec une pile à combustible. Sa particularité : la pile à combustible est également un appareil de chauffage qui produit non seulement de l'électricité, mais aussi de la chaleur.
Découvrez le mode de fonctionnement d'une pile à combustible, les combustibles avec lesquels elle peut être exploitée et le coût d'un chauffage fonctionnant avec cette technique.


Tour d'horizon des sujets abordés :

  • Explication relative à la pile à combustible
  • La particularité d'une pile à combustible
  • L'adéquation du chauffage avec pile à combustible
  • Les combustibles utilisés dans une pile à combustible
  • Les coûts d'une pile à combustible
  • Les avantages et les inconvénients
  • La pile à combustible dans les bâtiments neufs et anciens

Qu'est-ce qu'une pile à combustible ?

Un chauffage avec pile à combustible est un appareil de chauffage qui produit non seulement de la chaleur pour le bâtiment et de l'eau chaude, mais aussi de l'électricité pour couvrir ses propres besoins. Contrairement aux autres technologies de cogénération telles la centrale de cogénération ou les appareils de chauffage Stirling, il ne fonctionne pas au moyen d'une combustion, mais par le biais d'un processus chimique au cours duquel l'hydrogène est divisé en ses éléments constitutifs.

En quoi se démarque un chauffage avec pile à combustible ?

Les piles à combustible sont des producteurs d'énergie particulièrement efficaces, qui atteignent un rendement d'environ 90 % par la production combinée d'électricité et de chaleur. A titre de comparaison : une centrale électrique conventionnelle n'atteint généralement pas plus de 40 %, ce qui signifie que près de 60 % de l'énergie utilisée est rejetée dans l'environnement sans être exploitée.
Pour les propriétaires, l'installation d'une pile à combustible est judicieuse si l'électricité auto-produite est également consommée dans la maison. La quantité d'énergie achetée auprès des sociétés de distribution publiques sera donc réduite, ce qui procure des avantages financiers et une indépendance vis-à-vis des fluctuations de prix.
Avec ses dimensions compactes, une pile à combustible peut produire suffisamment d'énergie pour être rentable même dans les maisons individuelles modernes.

La pile à combustible en détail : une explication toute simple

Une pile à combustible produit de l'électricité, de la chaleur et de l'eau au moyen d'une combustion dite froide, c'est-à-dire au moyen d'un processus chimique au cours duquel l'hydrogène réagit avec l'oxygène. La bonne marche de ce processus est assurée par une pile composée de deux électrodes séparées l'une de l'autre par une membrane. Lorsque l'hydrogène parvient sur l'anode chargée négativement, les électrons et les protons sont divisés au moyen d'un catalyseur. Lorsque les électrons libres migrent vers la cathode chargée positivement au moyen du conducteur électrique, le courant circule selon le mode de fonctionnement de la pile à combustible.
Les protons passent en même temps à travers la membrane perméable uniquement à leur intention et s'associent de l'autre côté aux électrons et à l'oxygène de l'air pour former de l'eau. La chaleur produite lors de la réaction peut être évacuée et transmise au système de chauffage. En général, les quantités d'énergie d'une pile sont tellement faibles que, pour le chauffage avec pile à combustible producteur d'électricité, plusieurs de ces éléments s'associent pour former des "empilements". L'hydrogène nécessaire pour la réaction est fabriqué directement à l’intérieur de l'appareil, dans un reformeur, c'est-à-dire un composant qui dissout le méthane avec une vapeur d'eau chaude à partir du gaz naturel.

Pour qui une pile à combustible est-elle adaptée ?

Les installations de cogénération restent actuellement encore relativement chères et ne fonctionnent de manière efficiente que lorsqu'elles produisent de l'électricité destinée à sa propre consommation. Celle-ci ne peut être produite qu'en présence de besoins en chauffage ou en eau chaude dans la maison. Comme la pile à combustible produit les deux formes d'énergie (électricité et chaleur) elle peut également être utilisée de manière rentable dans les bâtiments modernes ayant de faibles besoins en énergie.

Les combustibles utilisés dans un chauffage avec pile à combustible

Comme l'hydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile à combustible n'est pas disponible dans la maison, il est fabriqué au moyen d'un reformeur dans l'appareil de chauffage. La matière première est le combustible gaz qui peut être exploité sous forme de gaz naturel, de biogaz ou de propane.

Le gaz naturel : combustible gazeux de haute qualité

Le gaz naturel est extrait de gisements souterrains et il s'agit d'une matière brute fossile. Il peut être utilisé par exemple pour chauffer des bâtiments et il se divise en deux types selon sa proportion de méthane. Il s'agit du gaz L (gaz pauvre en énergie) avec une proportion de 85 % et du gaz H (gaz riche en énergie) avec une proportion de 98 %. Plus il y a de méthane dans le gaz naturel, plus sa teneur en énergie est élevée.

Le biogaz : une alternative durable au gaz naturel fossile

Le biogaz constitue une alternative durable au gaz naturel fossile. Il est produit dans les installations à biogaz dans lesquelles les résidus végétaux et alimentaires ou le lisier subissent une fermentation sèche ou humide. L'énergie est produite par des petites bactéries qui décomposent la biomasse utilisée (le substrat) en ses éléments constitutifs. Le produit final est un mélange gazeux composé essentiellement de méthane, de dioxyde de carbone et d'oxygène. Le biogaz dispose des mêmes propriétés que la gaz naturel. Il peut donc être injecté aisément dans le réseau de gaz public et être également traité par les piles à combustible.

L'hydrogène : le réservoir d'énergie du futur ?

L'hydrogène est l'élément chimique le plus répandu dans l'univers. Par ailleurs, l'hydrogène est également plus fiable que les autres combustibles : il ne s'enflamme pas de lui-même, il ne pollue pas les eaux, il n'est pas nocif pour l'environnement et la nature et il brûle sans laisser de résidus. En dépit de ses nombreux avantages, les propriétaires ont souvent beaucoup de craintes par rapport à l'hydrogène. Parmi ces craintes, la plus fréquente est la peur d'une explosion. Les expériences découlant de la technique automobile prouvent que cette crainte est injustifiée. Par exemple, les piles à combustible sont utilisées dans les bus, sans qu'il y ait eu d'incident à déplorer à ce jour.

Les coûts d'une pile à combustible

Comme pour tous les appareils de chauffage, les coûts d'un chauffage avec pile à combustible se décomposent en différents postes :

  • les coûts d'exploitation du combustible
  • les coûts d'acquisition de la technique
  • les coûts en matière de consommation de la pile à combustible

Coût du raccordement au gaz

Comme l'hydrogène utilisé pour le fonctionnement du chauffage avec pile à combustible est extrait du méthane stocké dans le gaz naturel, l'existence d'un raccordement au gaz est une condition requise pour une pile à combustible. Celui-ci se compose de deux parties : la première (entre la rue et le bâtiment) est appelée ligne de raccordement d'immeuble et elle doit être installée par le fournisseur ; la deuxième partie du raccordement au gaz se compose des conduites du bâtiment qui acheminent le gaz depuis le dispositif d'arrêt principal vers tous les consommateurs.
En l'absence de raccordement au gaz naturel, la pile à combustible peut également fonctionner avec du propane. Pour le stocker, il est nécessaire d'avoir une cuve, généralement enterrée dans le jardin

Coût d'un chauffage avec pile à combustible

Les piles à combustible sont une technologie très récente, et donc encore relativement chère. Pour un chauffage producteur d'électricité dans une maison individuelle, le coût total (matériel et installation) peuvent varier entre 15 000 et 20 000 euros, en fonction de certaines options comme par exemple l'entretien inclus ou encore une extension de garantie. Les coûts résultant du fonctionnement d'une pile à combustible se composent des coûts du combustible, des aides financières éventuelles et des économies.
Les propriétaires réalisent les économies les plus importantes lorsqu'ils consomment eux-mêmes l'électricité qu'ils produisent dans la plus grande proportion possible. Ainsi, il ne sera pas nécessaire d'acheter l'énergie du réseau public.

L'importance des coûts de fonctionnement dépend toutefois de différents facteurs : par exemple du standard énergétique du bâtiment, du comportement de chauffage des utilisateurs ou de la quantité de l'électricité auto-consommée. Il n'est possible d'obtenir des conclusions fiables que lorsque chaque bâtiment est évalué individuellement.

Quels sont les avantages et les inconvénients d'un chauffage avec pile à combustible ?

Les chauffages avec pile à combustible sont modernes, efficaces et, à l'instar des autres systèmes, ont leurs propres avantages et inconvénients.

Avantages :

  • une production commune de chaleur et d'électricité avec un rendement élevé
  • un fonctionnement économique même dans les bâtiments ayant de faibles besoins calorifiques
  • une technique d'installation compacte sans bruit
  • une réduction des coûts énergétiques au minimum et une indépendance accrue vis-à-vis de l'évolution du prix de l'électricité

Inconvénients :

  • la dépendance vis-à-vis du gaz et de l'évolution de son prix
  • les frais d'acquisition élevés

La pile à combustible dans les bâtiments neufs et anciens

La pile à combustible est généralement utilisée dans les bâtiments à haute efficacité énergétique, ce qui concerne rarement les bâtiments anciens. Une centrale de cogénération est mieux appropriée dans ce cas, car les bâtiments anciens ont généralement des besoins calorifiques élevés. L'utilisation d'une pile à combustible dans les bâtiments anciens n'est toutefois pas exclue. Mais l'objet à chauffer ainsi que son état énergétique restent décisifs.

En synthèse, un chauffage avec pile à combustible produit de l'électricité et de la chaleur au moyen d'un processus chimique appelé combustion froide. Contrairement aux autres technologies de cogénération, ce type de chauffage peut être installé même dans les bâtiments à haute efficacité énergétique.

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