Réponse d'expert

N°175 : Quel est le mode de régulation rencontré sur la pile à combustible (pilotage thermique ou électrique) ?

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En France et plus largement en Europe, le pilotage de la pile à combustible s’effectue au travers d’une régulation basée sur le besoin thermique. Dans cette configuration, la production d’électricité de la pile à combustible est une conséquence de la production de chaleur. Aussi, la demande en chaleur du bâtiment sera un prérequis à valider avant toute installation pour garantir le bon fonctionnement de cette solution.

1. Un produit adapté au profil thermique des maisons individuelles

Pour rappel, la chaudière micro-cogénération à pile à combustible, plus communément appelé pile à combustible, est l’association d’un module de pile à combustible et d’une chaudière gaz à condensation en appoint. Cette solution est tout particulièrement adapté au segment de la maison individuelle. Aussi, dans l’attente de la sortie du Titre V système permettant sa prise en compte et sa valorisation dans la RT2012, le marché visé par ce produit demeure la maison individuelle existante.

Pour justifier l’installation d’une à pile à combustible, il est nécessaire de vérifier tout particulièrement les besoins thermiques du bâtiment. Ces derniers doivent être suffisants pour permettre un fonctionnement aussi long que possible du cœur de pile.

Sur la monotone de chaleur présentée ci-dessous, la partie cerclée en rouge illustre des périodes de fonctionnement où l’énergie thermique fournie par la pile est supérieure aux besoins du bâtiment. Sur ces périodes, la pile ne pourra pas effectuer ses cycles de fonctionnement habituels.

Graphique de l'adaptation de la pile à combustible au profil thermique des maisons individuelles
Un produit adapté au profil thermique des maisons individuelles

Pour maximiser le nombre d’heures de fonctionnement, tout en tenant compte de la grande variabilité des besoins énergétiques rencontrée en maison individuelle, cette solution de micro-cogénération présente :

  • Un cœur de pile de puissance thermique limitée (selon les modèles, de quelques centaines de W à quelques kW) qui assure prioritairement le talon des besoins thermiques du bâtiment.
  • Un couplage du module pile à un volume de stockage, permettant d’absorber la production de chaleur dégagée. L’inertie apportée par ce ballon de stockage participe ainsi à limiter le nombre marche/arrêt.

2. Principe de fonctionnement du pilotage thermique d’un micro-cogénérateur pile à combustible

Le générateur détecte un besoin thermique au sein du logement. Lorsque ce besoin de chaleur demeure inférieur à la production thermique délivrée par le module pile, seul ce dernier se met en route. L’énergie thermique dégagée par ce module pile alimente un stockage d’eau servant à couvrir ces besoins.

Schéma de la couverture des besoins thermiques par la pile à combustible
Couverture des besoins thermiques par la pile à combustible

Le fonctionnement du module pile perdure jusqu’à atteindre la température de consigne dans le volume tampon. L’inertie apportée par ce ballon de stockage permet un fonctionnement prolongé du module pile. Une fois l’arrêt du module pile, les besoins thermiques sont pris en charge uniquement par le volume tampon d’eau chaude.

Schéma de la couverture des besoins thermiques par le ballon de stockage d’eau chaude
Couverture des besoins thermiques par le ballon de stockage d’eau chaude

Dans l’hypothèse où le module pile ne peut pas assurer seul ces besoins (la production thermique du module pile est inférieure aux besoins de chaleur constatés dans le logement), alors la chaudière à condensation démarre pour apporter le juste complément de chaleur.

Schéma de la couverture des besoins thermiques par la pile à combustible et la chaudière à condensation
Couverture des besoins thermiques par la pile à combustible et la chaudière à condensation

Ainsi, en fonction des besoins de chauffage et d’ECS, le système va puiser l’énergie thermique dans le volume tampon et si besoin mettre en fonctionnement la chaudière afin de garantir le confort souhaité.

3. Exemple de la Vitovalor 300-P

Prenons l’exemple de la Vitovalor 300-P de Viessmann (seule pile à combustible actuellement commercialisée en France). Son cœur de pile de type PEMFC, produit 750 W électrique et 1 kW thermique. Les besoins thermiques globaux (chauffage ECS) souhaités pour son bon fonctionnement doivent être, a minima, de 9000 kWh/an.

Son process de fonctionnement impose un cycle de marche/arrêt par jour. Il est planifié de la façon suivante : la pile produit de l’énergie électrique durant 22h maximum (soit 16,5 kWh) puis elle s’arrête obligatoirement 2h afin de régénérer le reformeur. Celui-ci permet de « nettoyer » le système afin de maintenir ses performances. Tout arrêt du cœur de pile avant les 22h de fonctionnement entraine le lancement du cycle de régénération. Le cas échéant, Le module pile ne redémarre que le lendemain. Il est donc important de prolonger le fonctionnement le plus longtemps possible.

 

Ces informations n'ont qu'un caractère documentaire et indicatif. L'internaute est seul responsable de l'usage et des interprétations qu'il en fait et notamment de leur adéquation à la situation qu'il rencontre, des résultats qu'il obtient, des conseils et actes qu'il en déduit et/ou émet.

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