N°180 : Est-il important de tenir compte du besoin électrique d’un logement lors du choix de la pile à combustible comme solution énergétique ?

La pile à combustible pour une application stationnaire dans le bâtiment sert à la production de chaleur (chauffage et ECS). Son fonctionnement est tributaire des besoins de chauffage et/ou d’ECS du logement, on parle de pilotage thermique. Cependant, étant une technologie de cogénération, elle produira parallèlement de l’électricité en tant que coproduit.

A besoin thermique équivalent, une pile à combustible consommera une quantité de gaz un peu plus importante, qu’une chaudière à condensation. Cette surconsommation de gaz est liée à la production d’électricité qu’elle génère simultanément à la production de chaleur. Il apparait donc essentiel de vérifier l’adéquation de la production de la pile avec le besoin électrique du logement afin de valoriser cette d’électricité produite localement au coût du kWh gaz.

En comparaison avec production séparée (une chaudière à condensation + réseau électrique), la pile produit moins de chaleur par unité d’énergie de gaz consommé, et ce à cause de la production d’électricité.

Le schéma suivant illustre les rendements thermiques et électriques de la pile à combustible et de la chaudière à condensation :

• La pile présente un rendement thermique de 55% et un rendement électrique de 35%.
• La chaudière à condensation présente un rendement thermique pouvant atteindre les 95% sur PCI.

Ainsi, pour un besoin thermique similaire l’utilisation de la pile à combustible comme générateur de chaleur dans le logement engendrera une facture de gaz naturel légèrement plus élevée que d’autres technologies performantes de chauffage gaz. L’augmentation de la facture de gaz est cependant largement compensée par une baisse de la facture d’électricité via l’autoconsommation.

En effet, l’électricité produite par la pile est injectée dans le réseau interne du logement. Elle est prioritairement consommée sur place en remplacement de l’électricité provenant du réseau électrique, générant ainsi des économies de facture. Pour rappel, Le kWh électrique produit par la pile à partir du gaz naturel présente l’avantage de coûter plus de 2 fois moins cher que celui acheté depuis le réseau électrique. Si la demande n’est pas suffisante, le surplus est injecté sur le réseau électrique. Deux solutions s’offrent alors aux producteurs :

• Vente du surplus à EDF OA au tarif d’achat C16 : Ce mode de valorisation est pertinent si la quantité d’électricité injectée est élevée car il engendre des frais fixes annuels qui peuvent annuler les revenus de la vente du surplus en cas de faible production ou/et de taux d’autoconsommation élevé.
• Injection du surplus à titre gratuite sur le réseau électrique : L’électricité servira à couvrir les pertes techniques sur les réseaux de transport et de distribution. Cette solution s’avère la plus pertinente lorsque la majorité de l’électricité produite à un instant « t » est en capacité être consommée sur site.

De par sa faible puissance thermique et son pilotage basé sur les besoins thermique du logement, la pile à combustible est en capacité d’assurer un fonctionnement (et de fait une production électrique), quasi continu et prévisible en période de chauffe.

Cependant, la pile à combustible ne peut pas fonctionner plus 22h consécutives. Un arrêt de 2h s’impose durant lequel un "lavage" à lieu à l'intérieur du cœur de pile. Ce procédé permet de maintenir la performance de la pile dans la durée. Sans régénération, le ratio production électrique/production thermique se dégraderait rapidement. La phase de régénération permet aussi de maintenir une production électrique au cours de la durée de vie du produit.

Une fois enclenchée et après une phase de démarrage (environ 1h à 2h), la pile délivre une puissance de 1 000 W de chaleur et 750 W d’électricité d’une manière constante, tant que la température de retour à la pile reste inférieure à 50 °C.

La comparaison des profils de consommation d’électricité du logement et de production de la pile illustre la pertinence de la faible puissance électrique de la pile. Cela lui permet de couvrir le talon de consommation électrique du logement (veilleuses, réfrigérateur congélateur, VMC etc..) estimé dans cette simulation à 200/300 W ainsi qu’une partie des pics de consommations électriques.

Dans l’exemple ci-dessus :

• Le logement a consommé 24 kWh d’électricité sur 24 heures, avec 2 pics de consommations importants (matin et soir), et un moins conséquent autour de midi.
• La pile a produit 15,75 kWh d’électricité sur 21 heures de fonctionnement à partir de 5h du matin.
• Le logement a autoconsommé 12 kWh d’électricité produite par la pile, ainsi :
  • Le taux d’autoconsommation avoisine les 76% (12 kWh / 15 kWh) : seulement 25% de l’électricité produite par la pile est injectée sur le réseau gratuitement.
  • Le taux d’autoproduction est de 50% (12 kWh / 24 kWh) : 50% de l’électricité consommée par le logement ce jour provient de la pile, et le reste proviendrait du réseau/fournisseur.

Pour ce faire, il faut dans un premier temps éviter le couplage avec d’autres équipements de production d’électricité ou de chaleur. En effet, la pile à combustible perd de son intérêt en présence d’autres équipements participant à la couverture des besoins thermiques ou électriques du logement :

• La coexistence avec des solutions assurant une production de chaleur (poêle bois, CESI, CET), réduira le taux d’utilisation de la pile et de fait sa production d’électricité.
• De même, la présence d’un système de production d’électricité décentralisé (PV), dédié à l’autoconsommation totale sur site ou à la revente en surplus impactera la rentabilité de la pile à combustible. Bien que ne présentant pas le même profil dynamique, les 2 systèmes risquent d’être ponctuellement en concurrence, surtout au milieu de la journée où les besoins électriques sont au plus bas. La combinaison de PV et d’une pile à combustible, suppose que le client ait opté pour une vente en totalité de sa production d’électricité d’origine solaire.

Une autre possibilité existe pour maximiser le taux d’autoconsommation et ainsi la rentabilité économique de la pile. Elle consiste à agir sur les comportements des occupants afin de lisser le profil de consommation d’électricité du logement. Pour cela, l’utilisateur doit influer sur ses usages électriques reportables : programmer la machine à laver, le lave-vaisselle et éventuellement le sèche-linge…

Enfin, un dernier moyen de garantir d’un taux d’autoconsommation important (voir total) est d’installer un système de stockage entre la pile à combustible et l’armoire électrique du logement. La batterie apporte de la flexibilité sur l’utilisation de la production d’électricité et permet de se caler au plus juste sur le profil de consommation.

Cependant, cette solution peut s’avérer onéreuse. Le coût d’investissement élevé et la durée de vie actuelle des batteries doivent être pris en compte au regard de la rentabilité supplémentaire que permet d’atteindre le stockage.