La pile à combustible et sa fonction

Dans certaines régions, la technologie innovante de production d’électricité et de chaleur aurait un grand potentiel. Entre-temps, la demande de systèmes de chauffage à pile à combustible dans le secteur privé augmente également : un taux de croissance annuel pouvant atteindre 50 % a été enregistré depuis 2016. Le pronostic : d’ici 2030, plus de 500 000 systèmes de chauffage à pile à combustible seront installés en Allemagne. D’autres pays sont déjà beaucoup plus avancés : Au Japon, 100 000 systèmes domestiques ont déjà été installés dans le cadre d’un programme de subventions gouvernementales¹.

Le principe de la pile à combustible

Le principe de la pile à combustible est fondamentalement comparable à une centrale de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP) : en utilisant un combustible, à la fois l’électricité pour le fonctionnement des appareils électriques et l’énergie thermique pour le chauffage du bâtiment sont générées dans la pile à combustible. Cette procédure permet d’atteindre un degré particulièrement élevé d’utilisation de l’énergie primaire utilisée, étant donné que la chaleur résiduelle générée n’est pas rejetée dans l’environnement sans être utilisée.

La particularité d’une pile à combustible : l’hydrogène est utilisé à la place des combustibles conventionnels tels que le pétrole ou le gaz. Dans la pile à combustible, celui-ci réagit avec l’oxygène de manière contrôlée, générant de l’électricité et de la chaleur. S’il existe un raccordement au gaz, l’hydrogène requis peut être obtenu directement à partir du gaz naturel à l’aide d’un reformeur, ou il peut être fourni de manière externe.

La fonction d’une pile à combustible

Bien qu’il existe différentes technologies, la fonction de base de la pile à combustible est toujours la même. La réaction ciblée des éléments chimiques hydrogène et oxygène libère de l’électricité et de la chaleur, qui est utilisée pour faire fonctionner les appareils électriques et pour le chauffage.

Le cœur de la pile à combustible PEM est une membrane rectangulaire qui permet le transfert de protons et donc la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène pour former de l’eau. Une cathode et une anode sont fixées directement sur cette membrane. L’anode est un catalyseur de métal précieux – le platine est généralement utilisé – qui fait que les molécules d’hydrogène cèdent deux électrons.

Ce processus, connu sous le nom d’oxydation, garantit que deux protons sont créés et migrent à travers la membrane de la pile à combustible vers le côté cathode. C’est là que se produit la réaction suivante : les protons et les électrons de l’hydrogène réagissent avec l’oxygène pour former de l’eau et libérer du courant continu. Ce courant peut être prélevé à l’aide d’un pont entre la cathode et l’anode et finalement converti en courant alternatif domestique standard à l’aide d’un onduleur.

Étant donné que le processus est une réaction exothermique, non seulement de l’électricité mais aussi de la chaleur sont libérées lors de la « combustion à froid ». Cette chaleur peut être dissipée via un circuit de refroidissement et utilisée pour chauffer le bâtiment.

Le courant généré dans une pile à combustible a une tension trop faible, ce qui n’est pas suffisant pour les appareils électroniques classiques. Pour cette raison, plusieurs cellules sont connectées en série sous forme de piles (appelées « piles »). L’enchaînement de plusieurs piles à combustible augmente le niveau de tension pour qu’un onduleur puisse convertir l’électricité produite en courant alternatif à 230 volts.

Reformeur pour la production d’hydrogène

Les petits radiateurs à pile à combustible à usage domestique sont généralement conçus comme des piles à combustible à basse température et ont une température de fonctionnement d’environ 70 à 80 °C. Alors que les piles à combustible à haute température peuvent obtenir leur hydrogène directement à partir du gaz naturel grâce à une chaleur élevée, les piles à combustible à basse température dépendent d’un reformeur en amont.

Ce reformeur est capable de libérer l’hydrogène du gaz naturel et de le rendre ainsi utilisable dans la pile à combustible. En détail, les étapes suivantes ont lieu dans le reformeur pour libérer l’hydrogène du gaz naturel :

• De la vapeur est ajoutée au gaz naturel entrant dans le reformeur.
• Le méthane contenu dans le gaz naturel réagit pour former un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène.
• Les substances sont converties en dioxyde de carbone et en hydrogène.
• L’hydrogène est nettoyé dans le reformeur puis envoyé à la pile à combustible, tandis que le dioxyde de carbone est rejeté dans l’environnement.

Un raccordement au gaz naturel est une condition préalable pour un système de chauffage à pile à combustible au gaz naturel. Si aucun n’est disponible, l’hydrogène doit être mis à disposition différemment à grands frais.

Fonction de la pile à combustible en tant que générateur de chaleur et d’électricité pour la maison

D’un point de vue technique, le chauffage par pile à combustible fait partie du système de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP) ou, à proprement parler, de l’un des systèmes de micro-CHP. Avec leur faible puissance électrique et thermique, ces systèmes de microcogénération sont particulièrement adaptés à une utilisation dans les maisons individuelles et jumelées.

Respect de l’environnement de la pile à combustible

Étant donné que l’hydrogène nécessaire est encore principalement obtenu à partir de gaz naturel aujourd’hui, la technologie des piles à combustible avec du CO nocif pour le climat₂ liés ensemble. Cependant, cette production d’hydrogène pourrait devenir plus respectueuse de l’environnement à l’avenir. Les soi-disant électrolyseurs sont capables de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’électricité. Si l’électricité nécessaire provient alors de sources d’énergie renouvelables telles qu’un système photovoltaïque, le fonctionnement de la pile à combustible est totalement sans émission.

De tels électrolyseurs ont déjà été techniquement développés, mais présentent encore des inconvénients considérables tels qu’une technologie de système compliquée et des coûts d’acquisition élevés. Avec une demande croissante et des coûts en baisse, le chauffage par pile à combustible avec technologie d’électrolyseur pourrait certainement être une option intéressante dans quelques années.

Coûts de chauffage par pile à combustible

L’un des principaux inconvénients du chauffage par pile à combustible est le coût d’acquisition élevé. Ceux-ci n’ont cessé de baisser ces dernières années, mais ne sont pas encore compétitifs par rapport aux technologies de chauffage conventionnelles ou innovantes.

Le portail énergétique CO₂ Online estime le coût d’achat et d’installation d’un système de chauffage à pile à combustible à environ 30 000 à 35 000 euros². Une statistique³ montre que le chauffage par pile à combustible est beaucoup plus cher que le chauffage au gaz ou au mazout :

Si l’on regarde l’ensemble du cycle de vie du système de chauffage, il y a des coûts supplémentaires :

• Frais de raccordement au gaz naturel (si non disponible)
• Coût du combustible (gaz naturel)
• Coûts des travaux d’entretien et de réparation

Même en tenant compte des subventions gouvernementales pour le chauffage, le chauffage par pile à combustible reste cher par rapport aux autres technologies de chauffage. Les coûts de maintenance et de réparation se situent également dans la fourchette supérieure en raison de la forte sensibilité aux erreurs.

Lors de l’évaluation de la rentabilité, les coûts du gaz naturel sont également importants. Cependant, étant donné que le système de chauffage à pile à combustible produit de l’électricité pour sa propre consommation, la consommation d’électricité inférieure doit également être incluse dans le calcul de la rentabilité.

Aperçu des avantages et des inconvénients d’un système de chauffage à pile à combustible

Le principal avantage du chauffage par pile à combustible réside dans le degré d’utilisation relativement élevé de la source d’énergie utilisée. Par rapport à une centrale de cogénération conventionnelle, elle convainc également par une puissance nominale plus élevée. Cela signifie que le système de chauffage à pile à combustible génère une plus grande quantité d’électricité pour le même besoin de chaleur dans le bâtiment.

Le chauffage par pile à combustible a encore aujourd’hui une existence de niche et, malgré les avantages mentionnés, ne joue pratiquement aucun rôle. Vous en trouverez les raisons dans cet aperçu.

Un regard vers l’avenir

De nos jours, investir dans un système de chauffage à pile à combustible est encore associé à de nombreux impondérables. Néanmoins, c’est une technologie qui pourrait également devenir intéressante pour les utilisateurs privés dans les années à venir : en raison de la baisse des coûts et d’une plus grande maturité technique dans le fonctionnement de la pile à combustible.

¹ Transition énergétique directe : que sont réellement les « systèmes de chauffage à pile à combustible » ?

² co2online.de : Chauffage à pile à combustible : prix et coûts

³ Statista : Comparaison des coûts d’acquisition de différents systèmes de chauffage en Allemagne en 2021