Des piles à combustible tournées vers l'avenir : Electricité et chaleur avec du biogaz

Comment fonctionne une installation de piles à combustible ? Comme une centrale de cogénération traditionnelle, une installation de piles à combustible, contrairement aux autres systèmes de chauffage, produit simultanément de la chaleur et de l'électricité à partir de la source d'énergie, en l'occurrence du biogaz. Le biogaz sert de fournisseur d'énergie pour déclencher une réaction chimique nécessaire au fonctionnement du chauffage et des consommateurs d'électricité.

La pile à combustible se compose essentiellement d'une anode et d'une cathode séparées par un électrolyte constitué d'une membrane solide et perméable aux ions. La base de la réaction chimique nécessaire entre l'oxygène (O) et l'hydrogène (H) pour former de l'eau (H2O) est ainsi créée. Le biogaz sert alors de fournisseur d'hydrogène. Que se passe-t-il exactement lorsque l'oxygène et l'hydrogène réagissent ? On parle de combustion à froid. L'hydrogène est forcé de se séparer en protons et en électrons à travers la membrane. Les protons peuvent traverser la membrane, tandis que les électrons se déplacent vers la cathode et génèrent ainsi du courant. Parallèlement, la réaction des particules restantes dans la cathode pour former de l'eau génère de la chaleur de processus comme énergie de chauffage.

La pile à combustible a été inventée dès 1838 par Christian Friedrich Schönbein. Mais son succès a d'abord été contrarié par une autre invention : Le moteur électrique de Werner Siemens a révolutionné la technique énergétique en 1856, et il faudra attendre près de 100 ans pour que la pile à combustible fasse une percée réussie et tardive dans le domaine spatial. D'autres applications ont ensuite été développées dans le domaine de la technique automobile et du chauffage. 

Etat actuel de la technique des piles à combustible

Depuis les années 1990, la Suisse travaille intensivement au développement d'appareils à piles à combustible pour la production d'électricité et de chaleur de chauffage pour le secteur privé. Winterthur est considéré comme le centre de la recherche suisse sur les piles à combustible. Ici, on mise de préférence sur la technologie des piles à haute température SOFC, dont la température de fonctionnement est d'environ 850 ºC, alors qu'au Japon, on utilise surtout les piles à basse température PEMFC, qui fonctionnent entre 40 et 160 degrés Celsius.

Les entreprises du monde entier travaillent d'arrache-pied pour réduire l'inconvénient des coûts d'investissement élevés lors de l'acquisition de la nouvelle technologie. La pile à combustible se taille la part du lion. Il y a deux raisons à cela : Les coûts de fabrication très élevés et le nombre de pièces encore très faible, loin d'une production de masse. C'est pourquoi les fabricants suisses tentent d'augmenter l'acceptation de cette source d'énergie écologique auprès des propriétaires de maison par le biais d'incitations et en soulignant ses avantages particuliers. De plus, en subventionnant le biogaz, l'industrie gazière suisse encourage l'utilisation de cette source d'énergie, qui se prête idéalement au fonctionnement des installations de piles à combustible.

En Suisse, le biogaz est devenu une énergie renouvelable de premier plan. Contrairement à sa variante fossile, le gaz naturel, le biogaz peut théoriquement être produit à l'infini et marque également des points en matière de combustion propre avec une part de polluants nettement plus faible. C'est pourquoi le biogaz est l'énergie motrice idéale pour une installation de chauffage basée sur une pile à combustible dans le domaine privé.

Combien coûte la nouvelle technologie ?

Les coûts d'acquisition (encore) très élevés ont déjà été évoqués et, malheureusement, les installations de piles à combustible ne sont pas (encore) subventionnées par l'État en Suisse pour le moment. Il en résulte un nombre nettement plus faible d'installations, quelques centaines seulement en Suisse, contrairement à l'Allemagne voisine, où elles sont subventionnées jusqu'à 13 000 francs par foyer. Il reste à espérer qu'un programme d'encouragement soutiendra également dans ce pays cette technologie d'avenir et respectueuse de l'environnement. Avec des prix d'installation moyens d'environ 30'000 à 50'000 francs, selon la taille et le type de construction, la technique est encore loin d'être répandue à grande échelle.

Aujourd'hui, le rendement global atteint déjà près de 90 %. C'est un résultat remarquable qui pourrait même être amélioré à l'avenir si l'électricité nécessaire à l'électrolyse était produite par une installation photovoltaïque et non par du gaz. Cependant, la technologie nécessaire n'est pas encore disponible à un prix abordable. En outre, il faut encore intégrer un chauffage d'appoint au gaz, qui est toutefois déjà inclus dans les prix mentionnés ci-dessus. L'efficacité de l'installation sera nettement améliorée par l'installation d'un réservoir tampon. 

Un aperçu de l'avenir

La technique de la pile à combustible pour les ménages privés est encore une forme récente de production d'énergie ; jusqu'en 2015, les installations de piles à combustible n'étaient utilisées que comme prototypes dans des projets de recherche dans des maisons modèles. De ce point de vue, leur diffusion s'est développée rapidement, passant de quasiment zéro il y a cinq ans à quelques centaines en 2020, voire beaucoup plus dans d'autres pays. Cela contribue à faire baisser progressivement le prix de fabrication par unité et à rendre cette alternative énergétique commercialisable.

Un avantage essentiel qui parle en faveur de la technique des piles à combustible est la polyvalence et la flexibilité de l'énergie primaire nécessaire. Pour produire de l'hydrogène, on peut en effet utiliser non seulement du gaz naturel, mais aussi d'autres sources d'énergie renouvelables. Il suffit d'un apport d'énergie qui sépare l'hydrogène, présent en abondance, de sa combinaison chimique stable avec un autre élément. Les énergies primaires respectueuses de l'environnement sont appropriées : Le biogaz, le bioéthanol, l'électricité produite par l'énergie éolienne et l'électricité produite par l'énergie solaire.

Une chose est sûre : celui qui installe aujourd'hui une installation utilisant la technique des piles à combustible pour couvrir l'énergie de chauffage et la consommation d'électricité de sa maison investit en même temps dans l'avenir. Ces chaudières polyvalentes modernes sont reliées en série à Internet, ce qui permet non seulement d'enregistrer en temps réel d'éventuelles irrégularités, mais aussi de les corriger par télémaintenance. Tout cela fait des installations à piles à combustible la technique énergétique du 21e siècle.

Auteur : Maximilian Pawelzik, Baufritz AG, pionnier de la maison écologique