Evaluation. the Actions of European Towns on the Utilization

Etat de i'Art

Les actions de viiies europeennes sur i'utiiisation des nouveiies technoiogies de petite cogeneration

contrat n°99.07.071

Cette etude a ete reaiisee par Peter SCHILKEN, Energie-Cites, pour ie compte de i'ADEME Vaibonne ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

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SOMMAIRE

RESUME 5

SYNTHESE GENERALE 7 1 - Objectif de l’etude 7 2 - Approche du sujet 7 3 - Resume d'un study tour sur la pile a combustible 8 4 - Diagnostic 9 5 - La situation en France 13 6 - Conclusion et Recommandations 14 7 - Tableau comparatif 16 8 - Orientations bibliographiques 17

ANNEXES 18

FICHES DE CAS

Aachen (DE) 23 Armagh (UK) 27 Arnhem (NL) 31 Basel (CH) 35 Bielefeld (DE) 39 Berlin (DE) 43 Chelles (FR) 47 Frankfurt (DE) 51 Land Hessen (DE) 55 Ludwigshafen (DE) 59

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RESUME

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne tailles, certaines municipalites europeennes, notamment en Allemagne, developpent actuellement des projets de petite cogeneration. Les objectifs principaux de cette etude sont d ’examiner en premier lieu les politiques et les experiences des municipalites et des compagnies municipales d ’energie en terme de technologie choisie, puis la fagon dont ces nouvelles installations ont ete integrees dans les systemes existants. En second lieu, il s'agit d'apporter des informations sur les aspects techniques et organisationnels, en particulier sur les difficultes rencontrees et les resultats constates.

Dans la gamme de la petite cogeneration (d'une puissance electrique inferieure de 250 kW) la competition est ouverte entre les moteurs acombustion, les turbines acombustion, le moteur Stirling et les piles a combustible, qui en sont a des etapes variees de leur developpement technique et commercial. Toutes ces technologies sont decrites dans les differentes fiches.

Les petits moteurs a gaz font deja preuve de leur fiabilite sur de nombreux sites. Dans la toute petite gamme en dessous de 10 kW, en fait la micro-cogeneration, on trouve actuellement deux modeles qui ont prouve leur fiabilite. Parmi eux, la societe allemande Senertec qui vend depuis 1999 ses petits moteurs de 5,5 kWe a environ 2.000 unites par an.

Concernant les nouvelles technologies, ce sont celles relatives aux micro-turbines qui sont considerees comme les plus proche de la commercialisation, ce qui la rend donc particulierement attractive. Le marche a vu arriver en 2000 de nombreux modeles dans la gamme de puissance de 30 a 200 ou 300 kW. Les programmes de huit entreprises dans ce domaine ont ete recenses dont cinq sont representes par des fournisseur d'equipement de cogeneration en France.

Grace au principe de combustion externe, connu depuis pres de 200 ans, la realisation effective du moteur Stirling se heurtait a des difficultes techniques serieuses. Differents modeles d'une puissance electrique de 0,8 a 40 kW sont en cours de developpement et des prototypes sont en cours de test dans les centres de recherche des grandes compagnies electriques ou des laboratoires universitaires. Malgre l’annonce qui en a ete faite depuis des annees, il est toujours impossible de trouver des moteurs Stirling sur le marche.

A la difference des precedes classiques de production d ’electricite et utilises par les technologies mentionnes plus haut, le principe de la pile a combustible ne repose pas sur la conversion d ’energie mecanique en energie electrique, mais sur une conversion directe d ’energie chimique. Parmi les avantages d'une pile a combustible il faut notamment souligner un rendement electrique de 35 a 50 %, donc le plus eleve par rapport aux autres systemes de cogeneration, avec un taux de rendement croissant en charges partielles ainsi qu'une large palette d ’utilisations. C'est la raison pourquoi la pile a combustible est considere comme la technologie la plus prometteuse. On distingue 5 types de piles definies par la nature de leur electrolyte, 4 sur ces 5 types sont presentes dans les fiches de cas.

Independamment du type de pile a combustible un peut actuellement distinguer deux lignes de developpement tres important pour des applications stationnaires: • le secteur de l'habitat individuel (0,1 - 5 kW), • le secteur de 100 a 250 kW (habitat collectif, secteur tertiaire).

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En France, malgre un vive interet, Ce sont toujours les memes raisons qui bloquent le developpement de la petite cogeneration, a savoir: • la vide legislatif pour des installations d'une puissance electrique inferieur a 215 kW, • le systeme de tarification d'EDF en general (tres bas en ete et eleve en hiver) qui limite le fonctionnement des cogenerateurs a 3.624 heures alors qu'une utilisation rationnelle et efficace demande 5.000 heures de fonctionnement annuel, voire plus.

Il est donc indeniable qu'un coup de pouce particulier devrait etre donne a la petite cogeneration y compris la micro-cogeneration si l'on veut assurer son developpement et si l'industrie frangaise ne veut pas rester a l'ecart d'un futur marche qui s'annonce comme relativement important. Il est egalement necessaire que les conditions techniques de raccordement au reseau, tout simplement en basse tension (BT) pour la petite cogeneration, soient elaborees en tenant compte de la specificite des ces installations. Tant que ces obstacles ne seront pas supprimes a l’aide de reglementations nationales adequates, la petite cogeneration ne parviendra pas a percer en France.

Les dix exemples decrits dans les fiches de cas montrent clairement qu’actuellement, seules les installations equipees de moteurs agaz sont concurrentielles du point de vue economique en Europe par rapport ala production distincte de chaleur (par des chaudieres) et d ’electricite (par des centrales electriques). A la suite de la liberalisation des marches, le climat actuel en matiere de politique de l’energie contrarie toute nouvelle penetration sur le marche et les arguments environnementaux ne pesent pas d'un poids suffisant. Dans certains pays, y compris la France, les conditions de base, sont toujours aussi defavorables, de sorte que meme les moteurs a gaz ne peuvent pas fonctionner de maniere rentable en l’absence de subventions.

Des couts d ’investissement encore eleves s’opposent a la reussite de la commercialisation de ces nouvelles technologies. Il est impossible de prevoir aujourd ’hui quand les piles a combustible ou les moteurs Stirling pourront etre proposes a des prix concurrentiels, mais tous les types de piles a combustible recelent de forts potentiels de reduction des couts. S’il est possible d ’etendre le savoir-faire (ainsi que la production) en Europe (France) les chances de reduire les couts sont grandes.

Les developpeurs ont besoin de temps pour faire avancer leurs travaux, etudier et ameliorer les installations au stade pilote et dans des installations experimentales. S’ils sont soutenus par des politiques specifiques et au sein d ’une collaboration constructive avec des partenaires commerciaux et des utilisateurs potentiels, la pile a combustible en particulier sera un produit de pointe pour la production decentralisee d ’electricite et de chaleur d ’ici quelques annees.

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PRESENTATION GENERALE

1 - Problematique

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne taille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris l’integration et la promotion de nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling, la mini-turbine a gaz ou la gazeification du bois. La cogeneration est un moyen prometteur pour atteindre les objectives ambitieux de reduction d ’emission de gaz a effet de serre fixes dans le protocole de Kyoto. Cette demarche est actuellement freinee par le contexte energetique europeen - et meme mondial - marque par l’ouverture a la concurrence des energies de reseau (electricite et gaz). En effet, on sent une forte reticence des compagnies energetique vis-avis des investissements dans ces nouvelles technologies, dans une periode fluctuante qui ne permet pas une visibilite suffisante.

Et pourtant les etudes actuelles montrent que la production decentralisee pourrait representer plus de 40% de la production a l'horizon 2050. Dans les prochaines annees, c'est surtout la tranche de puissance 50 a 250 kW qui devrait se developper, ainsi que toutes petites installations de cogeneration a usage domestique. Des nombreuses experiences se deroulent en Europe, notamment en Allemagne, dans ce domaine. La France reste pour l'instant quasi absente de ce processus, en l'absence de procedures de soutien et de tarification de rachat.

Pour demarrer cet etat de l'art de nombreuses recherches sur Internet ont ete faites ainsi qu’une sollicitation des membres d ’Energie-Cites par « Energie-Cites News ». A mi-parcours, nous devrons constater que la litterature disponible est relativement riche, notamment sur les piles a combustible mais ce sont generalement les aspects strictement techniques qui sont abordes. Le role des acteurs est plus difficile apercevoir et necessite des investigations approfondies. En dehors de la pile a combustible type OnSI PC 25 nous n'avons pas eu suffisamment d'information pour rediger une fiche. Les informations sont pour l’instant souvent traitees "top secret". C'est la raison pour laquelle nous avons decide d ’elargir le champ de l’investigation et d ’integrer des experiences avec la technologie classique, le moteur a gaz, dans cet etat de l’art. Cependant, sur ce point, nous nous sommes limites a des installations de micro-moteurs en dessous de 5 kWe. Une fiche est egalement redigee sur une unite de cogeneration fonctionnant a partir de la gazeification du bois, premiere installation de ce type en Europe. Une technologie donc aussi innovante que celles de la micro-cogeneration qui s’inscrit donc bien dans le cadre de notre etude. Cette extension nous offre egalement la possibilite, au chapitre 4, de comparer le pour et le contre de toutes les technologies de petite cogeneration. La difficulte d ’acces aux informations etait l’une des raisons pour lesquelles nous avons decide d ’accompagner une stagiaire de l’ADEME, qui travaille parallelement a cet etat de l’art a un bilan des experimentations de PACO en Allemagne (voir chapitre 3) et qui est suivie par Dominique Fourtune.

2 - Objectif de I’etude

Les deux objectifs principaux de cette etude sont, a partir d ’exemples europeens : • d ’examiner les politiques et les experiences des municipalites et des compagnies municipales d ’energie en terme de la petite cogeneration : quelles technologies sont-elles choisies ? Comment les nouvelles installations ont-elles ete integrees dans les systemes existants ? • d ’informer sur les aspects techniques et organisationnels de l’utilisation des nouvelles technologies de petite cogeneration, un des buts principaux est de se renseigner sur les difficultes rencontrees et les resultats constates :

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- quels sont les resultats obtenus concernant la performance des differentes technologies utilisees ? - la fiabilite des nouvelles technologies et leur disponibilite sur le marche ? - le temps de retour d'investissement ou quelles sont les subventions necessaires pour rendre ces technologies attractives ? - quel est le role des vendeurs d ’energie ?

3 - Resume du study tour sur la pile a combustible

L’Allemagne compte un nombre important d ’installations de piles a combustible de differents types et fait preuve d ’une certaine effervescence dans le domaine des energies alternatives. Le contexte energetique allemand s’avere en effet, depuis de nombreuses annees, bien plus favorable a l’experimentation de technologies "eco-energetiques" que le contexte frangais. Par exemple, mi- 2000 on a denombre en Allemagne plus d ’une vingtaine de piles a combustible contre seulement une en France (voir fiche Chelles).

Les objectifs de ces visites ont ete: • faire part de l’activite allemande dans le domaine des piles a combustible, • discuter avec les acteurs principaux intervenants a differents niveaux et de les repertorier, • chercher des informations sur place que l'on obtient ni par telephone ni par courrier pour presenter en detail des projets realises ou en cours de realisation sous forme d'une fiche de cas, • etudier les domaines d ’application et les types de produits actuellement en phase de developpement, • etablir et faire part des conditions de reussite de la mise sur le marche europeen de la technologie (conditions techniques, financieres, commerciales et legislatives).

Energie-Cites a organise pour la stagiaire un study-tour qui a eu lieu de 4 au 11 juillet 2000, les etapes ont ete les suivantes :

Date Site Type d ’installation Puissance ELECTRIQUE 4 juillet Ludwigshafen PEFC 3,0 kW Projet Brunkviertel, Maison de la Future 5 juillet Bielefeld MCFC 280 kW Universite 7 juillet Berlin- PEFC 250 kW Treptow Parc d'exposition de pile a combustible 6 juillet Hamburg Rencontre ave HGC Bargteheide PAFC 200 kW Centre de fabrication de PEFC 3 kW 10 juillet Nurnberg PAFC type ONSI PC25C en 200 kW combinaison avec une pompe a chaleur a absorption 11 juillet Winterthur Rencontre avec Sulzer HEXIS 1,1 kW (Suisse) Visite d ’une installation SOFC

A la fin de son stage a l’ADEME (voir bibliographie), Claire RUSCASSIE a redige un resume du voyage. Pour plus de clarte, la presente etude abordera de nouveau certaines representations de son resume. Ce voyage s’est avere tres fructueux et nous a permis d ’elaborer quatre fiches. Il nous a clairement montre combien les efforts sont varies dans le domaine. Parallelement, les problemes techniques recurrents que rencontrent les installations experimentales soulignaient a

8 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 quel point la commercialisation des piles a combustible semble lointaine. Nous avons constate que les fabricants avaient deja beaucoup investi dans le developpement des differentes technologies mais que les besoins en capitaux restaient importants avant d ’atteindre l’etape de fabrication en serie. Les capitaux semblent ne pas toujours etre disponibles, et il ne serait pas etonnant qu’en l’absence de soutien externe, certains fabricants disparaissent du marche ou cessent la recherche et le developpement pour certains types de piles a combustible.

4 - Diagnostic

On doit dire qu'il est pratiquement impossible d ’obtenir une evaluation economique des installations : les couts (surtout la maintenance) ne sont pas disponibles ou ne sont pas attribuables specifiquement a l’installation ou encore restent confidentiels (prix d ’achat et de vente d ’energie) ; souvent, il s’agit tout simplement d ’une installation pilote a des couts tres eleves. Le financement est toujours un sujet tres delicat a aborder.

Les petits moteurs a gaz (fiches - Hessen et Armagh) Les petits moteurs a gaz ont fait beaucoup de prog res en quelques annees. Les problemes d'instabilite de fonctionnement et d'emissions polluantes excessives ont ete resolus. Dans la toute petite gamme en dessous de 10 kW, la micro-cogeneration, on trouve actuellement deux modeles qui ont approuve leur fiabilite. La societe allemande Senertec vend depuis 1999 ses petits moteurs de 5,5 kWe en environ 2.000 unites par an notamment en Allemagne, mais aussi en Belgique, Luxembourg ou en Suisse (voir fiche Hessen). La societe suisse Ecopower, propose un moteur dont la puissance electrique peut etre modulee entre 2 et 4,7 kW. Ces deux moteurs sont equipes d'un catalyseur a trois voies garantirant des valeurs d'emissions inferieures aux normes les plus severes connues en Europe. Le rendement global peut atteindre 90% avec un rendement electrique de 25-27%. Ils peuvent bruler du gaz, du GPL et du gazole. Actuellement on est en train de mettre au point, dans les deux societes, des cogenerateurs qui sont capable de bruler du biogaz et de la biomasse, dont de l'huile vegetale telle que le colza.

Des moteurs ayant un spectre de puissances tres large sont aujourd’hui capables de bruler du biogaz ou du gaz issu du bois, comme le montre l’exemple Armagh. La combustion du biogaz, provenant de stations d ’epuration ou de decharges, ne pose plus de probleme pour les moteurs, et la gazeification du bois est, elle aussi, sur le point de percer. La gazeification de la paille reste par contre plus problematique. Le succes de l’utilisation de la biomasse dans de petites installations de cogeneration ouvre de nouvelles perspectives a ces sources d ’energie renouvelables et devrait largement participer a la protection du climat aux niveaux local et regional au cours des prochaines annees. Leur utilisation ne se limitera donc pas aux moteurs : les technologies presentees dans cette etude, bien qu’elles ne soient pas aussi evoluees, s’interessent deja de pres a ce combustible.

Nous souhaitons rappeler les avantages des moteurs : • ils sont commercialises, il existe de nombreux fournisseurs sur le marche a partir d ’une puissance de 50 kWe • la technologie est assez economique du point de vue des investissements, • on constate un bon rendement electrique, meme a de faibles puissances,

et leurs inconvenients : • les couts de maintenance specifiques demeurenteleves, • en comparaison des aux autres technologies, la pollution sonore est importante et le taux d ’emissions eleve, mais demeurent inferieurs aux seuils legaux.

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Les micro-turbines (fiche Aachen) De toutes les nouvelles technologies, c’est celle des micro-turbines qui est consideree comme la plus proche de la commercialisation, ce qui la rend donc particulierement attractive. Selon le dossier cogeneration paru dans le supplement d'Energie Plus de decembre 2000 le marche voit arriver de nombreux modeles dans la gamme de puissance de 30 a 200 ou 300 kW. Les programmes de huit entreprises dans ce domaine ont ete recenses : Allied Signal Allison GE ; Bowman ; Capstone Elliott; Ingersoll-Rond (NREC) ; Toyota et Turbec (ABB-Volvo). A l'exception de deux machines les micro-turbines proposees sont derivees de grandes soars utilisees dans le secteur des transports.

Parmi les avantages d'une micro-turbine, la revue "Energie-Plus" cite : • des couts de maintenance plus faibles que les moteurs, • la possibilite de bruler divers combustibles, • un encombrement et un poids reduits, • un niveau de vibrations negligeable, • un niveau de bruit certes assez eleve (de l'ordre de 70 dB(A) a 3 metres), mais facile a reduire, • des emissions de NOx et CO generalement sensiblement inferieures a celles des moteurs, • recuperation de chaleur simple, utilisation possible a un niveau de temperature eleve (environ 280 °C).

Parmi les inconvenients par rapport a un moteur: • un cout d'investissement superieur, • une efficacite a charge partielle plus faible, • une vulnerabilite plus grande au blocage de charge, • un temps de montee en puissance generalement plus long, • un rendement electrique plus faible.

Meme si aucune installation a vu le jour en France cinq fournisseurs d'equipements de cogeneration ont deja mis des micro-turbines a leur catalogue (voir tableau) :

Fournisseur Fabricant de la turbine Puissance Rendement electrique electrique (kW) (%) ABB Zantingh Energie Systemes Turbec 100 33 CIAC Turbomeca 130 15 2H Energy Elliot 35, 45, 60 14-16 et 80 Soffimat Capstone 30 27 SDMO Ingersoll Rand 70 33

La technologie des micro-turbines semble certes tres prometteuse, mais il a ete extremement difficile d ’obtenir des informations sur les installations de demonstration (lu dans un magazine britannique specialise : "Up until recently, microturbines had generated far more press than power"). Nous avions notamment des contacts avec l’entreprise Turbec (voir la liste des fabricants) mais nous n’avons jamais regu la documentation promise. Seule l’installation d ’Aachen (fabricant Capestone) fait donc l’objet d ’une fiche. Il s’agit de la premiere micro-turbine a gaz d ’Allemagne, elle est entree en fonction en mai 2000 et il est encore impossible de se prononcer sur sa rentabilite.

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Le moteur Stirling (fiche Frankfurt) Le moteur Stirling comporte un piston de deplacement et un piston de travail, entre lesquels le gaz de travail utilise, en general de I’helium, effectue un mouvement de va et vient en circuit ferme. Grace a ce processus en circuit ferme ou la combustion est externe, le moteur Stirling est totalement independant du type de source de chaleur. Les bruleurs des moteurs Stirling se distinguent des bruleurs habituels par ce prechauffage de I’air et travaillent a des temperatures beaucoup plus elevees dans la chambre de combustion (de 1.200 a 2.000°C). La puissance fournie peut etre reglee de 30 a 100 % en fonction de la pression du gaz de travail. Le reglage de la machine est controls par un processeur, il exists des messages de panne avec indication d ’erreur, qui peuvent si necessaire etre transmis par modem pour un diagnostic a distance. Grace a ce principe de combustion externe, connu depuis pres de 200 ans, la realisation effective du moteur Stirling se heurtait a des difficultes techniques serieuses, notamment lies al'etancheite des cylindres. Differents modeles d'une puissance electrique de 0,8 a 40 kW sont en rours de developpement et des prototypes sont en cours de test dans les centres de recherche des grandes compagnies electriques ou des laboratoires universitaires (Allemagne, Danemark, Pays-Bas, Royaume-uni, Suisse).

Les atouts d'un moteur Stirling apparaissent impressionnants : • utilisation de n'importe quel combustible, • peu de maintenance, • faibles emissions polluantes, • pratiquement pas de bruit.

Malgre I’annonce qui en a ete faite depuis des annees, il est toujours impossible d ’acheter des moteurs Stirling sur le marche libre. Lorsqu’on effectue des recherches sur Internet, cinq entreprises font des propositions commerciales (Stirling Technology Company of Kennewick et Sunpower aux Etats-Unis, SOLO en Allemagne, Sigma en Norvege et WisperTech en Nouvelle Zelande). II pa raft qu’une installation de WisperTech fonctionne depuis 1997 a Groningen mais il nous a ete impossible d ’obtenir des informations ace sujet aupres de Gasunie. Sigma ne dispose encore d ’aucune installation de demonstration. Seule I’entreprise SOLO effectue actuellement un essai a grande echelle sur plusieurs sites en Allemagne et un a Goteborg avec I'aide de la fondation federale pour I'environnement (Deutsche Bundesstiftung Umwelt). C’est pourquoi seule la fiche relative aFrankfurt presente le moteur Stirling dans cet etat de I’art.

Les piles a combustible (fiches - Arnhem, Basel, Bielefeld, Berlin, Chelles et Ludwigshafen) A la difference des precedes classiques de production d ’electricite, le principe de la pile a combustible ne repose pas sur la conversion d ’energie mecanique en energie electrique, mais sur la conversion directs d ’energie chimique. Line pile a combustible est constitute de plusieurs cellules elementaires, dent le nombre determine la tension et I'intensite du courant produit. Ces cellules electrochimiques sont le siege d ’une reaction d ’oxydoreduction, comparable a cells de [’electrolyse inverse de I’eau.

Schema de fonctionnement simplifie d’une pile acombustible

ile a combustible Reformeur P

Gaz Chaleur d ’echappement

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On distingue 5 types de piles definies par la nature de leur electrolyte comme monte bien le tableau suivant :

Type Combustible Electrolyte Temp. de Rendement Usage possible Fiche de cas fonctionnem. electrique (°C) (%) AFC Alcaline Hydrogene pur Lessive alcaline 70 Espace, plaisance

PEFC/PEM Hydrogene avec Membrane 80-90 35-40 Maisons, immeubles Berlin traces de C02 et N polymere automobiles Ludwigshafen equipement informatique PAFC Hydrogene avec Acide phosphorique 200 35-40 Immeubles Chelles traces de C02 et N MCFC Hydrogene, CO Carbonate fondu de 650 40-50 Immeubles Bielefeld lithium et potassium SOFC Hydrogene, CO, Barriere de 850 - 1 000 45-55 Maisons, immeubles Basel methane ceramique Arnhem

Parmi les avantages d'une pile a combustible, on peut citer: • rendement electrique de 35 a 50 %, donc le plus eleve par rapport aux autres systemes de cogeneration, taux de rendement croissant en charges partielles, • bon fonctionnement surl’ensemble du spectre de puissances, • tres peu polluant et pratiquement pas de nuisances sonores, • chaleur degagee partiellement utilisable a un niveau de temperature tres eleve, • large palette d ’utilisations.

Et parmi les inconvenients: • necessite de transformer tous les combustibles en hydrogene, fortes exigences en matiere de purete du combustible, • besoin en place important en raison des auxiliaires du systeme tels que le reformeur, les ventilateurs, etc., • technologie la plus chere des systemes de cogeneration.

Les produits actuellement developpes dans le secteur de l'habitat individuel (0,1 - 5 kW) Quelques constructeurs se sont lances dans la conception et le developpement de ce type de produit et ont pour objectif de se positionner sur ce nouveau marche. Parmi eux on compte le groupe suisse Sulzer Hexis avec une technologie SOFC (voir fiche Basel), le chauffagiste allemand Vaillant en collaboration avec le fabricant americain Plug Power de PEFC, et l'entreprise Hamburg Gas Consulting qui developpe un module PEFC (voir fiche Ludwigshafen). Tous ces constructeurs annoncent une mise sur le marche de leur produit d'ici un ou deux ans et une production de masse a l'horizon 2010. La pile a combustible en application dans l'habitat individuel entre en concurrence directe avec les chaudieres classiques, avec l'avantage de produire de l'electricite simultanement. Ainsi pour penetrer le marche et seduire la clientele, il est important que les couts s'alignent sur ceux actuellement pratiques. Il est envisage d'approcher les 2.500 euros en prix grand public (proche de cout actuel des meilleures chaudieres a condensation).

Les produits actuellement developpes dans le secteur de 100 a 250 kW • ONSI, avec sa technologie PAFC d'une puissance de 200 kW, a ete le pionnier dans le secteur. L'entreprise compte en effet plus pres de 200 installations pilotes ou de demonstration a travers le monde (voir fiche Chelles), • Ballard-Alstom envisage, quant a lui, l'implantation d'une dizaine d'unites de demonstration en Europe utilisant leur technologie PEFC (voir fiche Berlin), • Et MTU se lance dans le developpement d'un module de technologie MCFC dans la meme gamme de puissance (voir fiche Bielefeld). • Siemens-Westinghouse travail le febrilement au developpement de sa pile de 100 kW. L'objectif principal est de reduire sa temperature de fonctionnement a 800-850°C (voir fiche Arnhem).

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5 - La situation en France

Comme nous avons deja constate dans notre rapport "diagnostic petite cogeneration municipale" (09/1999), le contrat d'achat de l'electricite de 1997 a permis un reel decollage de la cogeneration. Ce decollage a ete freine brutalement en 2000. Les deux faits les plus marquants de l'annee 2000 ont ete la hausse du prix des hydrocarbures et l'ouverture progressive du marche d'electricite. Leurs effets se sont releves totalement negatifs, donc 2000 a ete une annee noire pour la cogeneration en France.

Quant ala petite cogeneration, notre rapport de 1999 a montre que la petite cogeneration se developpe moins rapidement y compris dans les municipalites, que la cogeneration "classique" dans l'industrie et le tertiaire. Nous avons observe un interet croissant dans les municipalites partout en France, mais jusqu'au debut 2001 aucune installation supplementaire de petite cogeneration n'avait vu le jour dans un batiment municipal.

Ce sont toujours les memes raisons qui bloquent le developpement de la petite cogeneration, a savoir: • le vide legislatif pour des installations d'une puissance electrique inferieur a 215 kW, • le systeme de tarification d'EDF en general (tres bas en ete et eleve en hiver) qui limite le fonctionnement des cogenerateurs a 3.624 heures alors qu'une utilisation rationnelle et efficace demande 5.000 heures de fonctionnement annuel, voire plus.

A cela s'ajoute le fait qu'aucun tarif de rachat n'avait encore ete publie en mars 2001.

Il reste a souligner que des efforts ont ete faits en matiere de recherche et de developpement, aussi bien dans le domaine de la cogeneration par moteur que dans les nouvelles technologies.

Afin de combler le retard, un reseau "pile a combustible" pour organiser et financer la recherche en France a ete lance en juin 2000 par le ministre de l'Education nationale. Avec pour but de proposer d'ici une dizaine d'annees des piles a combustible commercialisables, c. a d. fiables et economiquement viables.

Le pole energie du CREED (Centre de Recherche pour l'Environnement L'Energie et le Dechet de Vivendi Environnement) travaille aussi sur la petite et moyenne cogeneration. Ils ont par exemple teste sur leur site a Limay, pres de Mantes la Jolie un moteur de cogeneration Senertec ainsi qu'une micro-turbine.

EDF collabore avec de grands organismes de recherche internationaux (Electric Power Research Institute, Etats-Unis) et des acteurs majeurs dans le domaine des piles a combustible. Les actions de recherche et developpement d'EDF dans ce domaine portent sur deux axes principaux : les activites de recherche appliquee et les operations de demonstration (voir fiche Chelles).

Gaz de France, de son cote, s'implique dans le developpement des piles a combustible interesse en tant que fournisseur de gaz naturel pour la production d'electricite mais egalement en tant que concepteur et exploitant d'installations thermiques. GdF souhaite posseder la maitrise complete des phases d'installation, d'exploitation et de maintenance d'un projet de pile a combustible. Les equipes de Gaz de France ont mis en place, en 1996, un laboratoire ouvert aux fabricants de

13 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 nouvelles technologies de la cogeneration pour etudier leurs performances sur une large gamme de gaz et de melanges. Une petite pile PEFC pouvant fournir jusqu'a 5 kW electriques et thermiques est installee dans un pavillon experimental du centre de recherche GDF de Saint-Denis ainsi qu'un moteur Stirling. S'attachant notamment a caracteriser les piles selon leurs rendements energetiques, leurs couts de maintenance, leurs conditions d'exploitation et la qualite de l'energie fournie, le groupe gazier pourra etre acteur du developpement de la technologie des piles a combustible en France.

6 - Conclusion et recommandations

Ces exemples montrent clairement qu’actuellement, seules les installations equipees de moteurs a gaz sont concurrentielles du point de vue economique e Europe par rapport a la production distincte de chaleur (par des chaudieres) et d ’electricite (par des centrales electriques). A la suite de la liberalisation des marches, le climat actuel en matiere de politique de l’energie contrarie toute nouvelle penetration sur le marche et les arguments environnementaux n’ont que peu de poids. Dans certains pays, notamment la France, les conditions de base (tarification du rachat de l’energie injectee dans le reseau, conditions de raccordement au reseau, offre sur le marche, etc.) sont toujours aussi defavorables, de sorte que meme les moteurs a gaz ne peuvent pas fonctionner de maniere rentable en l’absence de subventions.

L’optimisme semble de rigueur pour les micro-turbines a gaz. Un grand nombre d ’entreprises proposent deja ces installations mais on peut encore douter de leur disponibilite sur le marche. Il est egalement impossible pourle moment de se prononcer sur leur rentabilite, comme le montre le cas d ’Aachen.

Ce sont les evolutions techniques, mais avant tout les conditions economiques qui dessineront l’avenir proche des piles a combustible et du moteur Stirling. La liberalisation du marche, synonyme de baisse des prix de l’energie, joue un role considerable sur la rentabilite des installations. L’acceptation d ’un produit dependra des regles qui regiront d ’ici quelques annees un marche de l’energie largement liberalise. Les importants efforts de recherche et de developpement consentis avec perseverance a travers le monde, en particulier aux Etats-Unis et au Japon, incitent a l’optimisme.

Dans le domaine de l’approvisionnement en energie domestique, les piles acombustible et le moteur Stirling sont en concurrence avec le reseau public et les chaudieres au gaz ou au fuel pour le chauffage, ainsi qu’avec les mini-centrales de cogeneration a moteur que nous avons evoque et qui representent des investissements specifiques en dessous de 2.000 euros/kW.

Pour des puissances de 100 a 250 kW, les centrales de cogeneration a gaz et a moteur diesel sont en concurrence, avec des taux de rendement de 35 a 40 % et leurs faibles couts d ’investissements specifiques, de meme que les petites turbines a gaz et la pile a combustible. Sur ce segment de marche, seule la pile a combustible ONSI ayant une puissance electrique de 200 kW est actuellement commercialisee. Le prix de cette installation au taux de rendement electrique de 40 % est d ’environ 4.000 euros/kW. Vu les prix de l’energie actuellement en vigueur, il faudrait que les couts d ’investissement specifiques soient inferieurs a 1.000 euros/kW pour que son fonctionnement soit rentable. On peut compter a l’avenir sur une baisse des couts d ’investissement des centrales de cogeneration a moteur et sur de meilleures valeurs pour les gaz d ’emission, de sorte que la concurrence sur ce segment de marche sera encore plus rude pourles piles a combustible.

Des couts d ’investissement encore eleves s’opposent a la reussite de la commercialisation des nouvelles technologies. Il est impossible de prevoir aujourd ’hui quand les piles a combustible ou les moteurs Stirling pourront etre proposes a des prix concurrentiels, mais tous les types de piles a combustible recelent de forts potentiels de reduction des couts. S’il est possible d ’etendre le savoir-faire (ainsi que la production) sur place, les chances de reduire les couts sont grandes.

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Les developpeurs ont besoin de temps pour faire avancer leurs travaux, etudier et ameliorer les installations au stade pilote et dans des installations experimentales. S’ils sont subventionnes par les politiques et soutenus au sein d ’une collaboration constructive avec les partenaires commerciaux et utilisateurs potentiels, la pile a combustible en particulier sera un produit de pointe pour la production decentralisee d ’electricite et de chaleur d ’ici quelques annees.

Champs d'action des municipalites Quel role incombe aux villes et surtout a leurs representants elus dans un programme "Installation de la petite cogeneration y compris ses nouvelles technologies" futur ? Meme si elles n'interviennent que rarement comme initiatrices dans les exemples cites, cela ne signifie pas que les choses doivent en rester la ou que leur role soit subordonne. En Allemagne, une des dynamiques provient de la forte implication des communes dans leur gestion energetique, ayant pour effet d'accroitre leur interet pour les technologies innovantes comme notamment les piles a combustible. Leurs taches principales resident dans : • l’elaboration d ’une etude d ’identification des sites potentiels, • prise de contact et regroupement des acteurs et soutien a la mise au point d ’un projet - pilote, • incitation financiere pour le remplacement d ’une ancienne chaudiere conventionnelle (qui pourrait s’appliquer surtout dans les villes qui ont des programmes de reduction d ’emissions polluantes ou d ’economies d ’energie).

Dans leur role de consommateur d'energie, certaines communes peuvent servir d'exemples a d'autres?

Une politique volontariste des autorites locales est en effet indispensable pour favoriser le developpement et l'innovation dans le domaine de la petite cogeneration. Des mesures peuvent ainsi etre prises afin d'encourager les technologies innovantes et de multiplier les operations d'experimentation et de demonstration, necessaires a la bonne maitrise de la technologie.

Recommandations a l'ADEME Les recommandations a emettre peuvent etre reprises quasiment mot a mot de l’etude "diagnostic petite cogeneration municipale". Deux taches importantes se detachent, cote ADEME, pour ce qui concerne la promotion de la petite cogeneration en general et des novelles technologies en particulier en France :

1. Action d ’information et de formation : editions de brochures, organisation de seminaires, workshops et visites, continuation d'observation des experiences etrangeres 2. Elaboration d ’un programme pilote et pluriannuel "la petite cogeneration dans les equipements publics" Ce programme pouvait etre similaire au "programme pilote de la petite cogeneration" de l’agence du Land de Hessen en Allemagne (voir fiche) en profitant des experiences acquises labas depuis cinq ans. Le programme devrait englober: - un volet "aide a la decision" et "au montage du projet" en introduisant un processus standardise de la reflexion a la realisation, - un volet "aide a l’investissement" de l’ordre de 30% sur un nombre limite d'installations (50 a100) d ’une taille de 3 -50 kWe. - un volet "installation pilote" nouvelles technologie de la petite cogeneration comprenant des micro-turbines, des moteurs Stirling et des piles a combustible.

L’ADEME pourrait aussi s'impliquer dans les negotiations avec la Commission de regulation de l'electricite, plus haut ainsi que dans la normalisation. La normalisation a l'echelle d'une industrie, comme celle qui se developpe autour des piles a combustible, est un moyen de dynamiser la diffusion de la technologie.

Lors de la phase d'innovation, il est important d'etudier des partenariats afin de multiplier les moyens et de preparer la diffusion commerciale du produit. Concernant la petite cogeneration, le fait de developper autour du produit un environnement professionnel qualifie pour l'exploitation et

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la maintenance est une fagon d'anticiper sur les exigences du futur client. ADEME pouvait intervenir dans ce cas comme moderateur.

Pour soutenir le developpement de la petite cogeneration, en particulier de ses nouvelles technologies, et collecter de nouvelles experiences relatives a ces techniques innovantes, il faudrait que les utilisateurs potentiels realisent des projets et participent activement a sa mise sur le marche. En clair, il faut multiplier les projets de demonstration comme celui de Chelles.

7 - Tableau comparatif

Acteurs Technologie utilisee Site Aachen DE Entreprise immobiliere Turbine a gaz Plusieurs immeubles totalisant compagnie d'energie Puissance electrique: 30 kW 48 logements Production de chaleur, vente d'electricite au reseau Armagh UK Ville et region Moteur a gaz; gazeification du Musee Compagnie privee bois Production de chaleur pour Puissance electrique: 200 kW l'ecole, injection d'electricite dans reseau de la regie municipale Arnhem NL Compagnies d'energie Pile a combustible type SOFC Station chauffage urbain Puissance electrique: 100 kW Basel CH ville Pile a combustible type SOFC Ecole Compagnie d'energie Puissance electrique: 1 kW Production de chaleur pour le musee, injection d'electricite dans le reseau de la compagnie electrique regionale Bielefeld DE universite Pile a combustible type MCFC Universite Compagnie d'energie Puissance electrique: 250 kW Production de la chaleur, de locale et fournisseur du vapeur et d'electricite gaz et du fioul Berlin DE Compagnies d'energie Pile a combustible type PEFC Integree a une centrale de Puissance electrique: 250 kW chauffage qui alimente le reseau de chaleur de Berlin Chelles FR Ville Pile a combustible type PAFC Partie d'un centrale de EDF, GDF Puissance electrique: 200 kW chauffage qui approvisionnent 3.800 logements en chaleur, injection d'electricite au reseau d'EDF Frankfurt DE Compagnie d'energie Moteur Stirling Puissance electrique: 4-9 kW Land DE Le Land De Hessen Petit moteur a gaz Programme de penetration Hessen Puissance electrique: 5,5 kW dans le marche Installation de 15 modules sur 11 sites differents Ludwigsha DE entreprise immobiliere Pile a combustible type PEFC "Maison du futur" fen compagnies d'energie Puissance electrique: 3 kW Production de la chaleur et universites d'electricite pour une maison individuelle de 6 logements

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8 - Orientations bibliographiques

ADEME, Claire RUSCASSIE en collaboration avec Energie-Cites : Visites d'installations allemandes de pile a combustible (rapport de synthese), Limoge, septembre 2000

ASEW : Standpunkt Brennstoffzellen, Koln, aout 1998

ASUE ; Stationare Brennstoffzellen, Hamburg, 2000

BINE : Projekt Info-Service PEM Brennstoffstellen, Bonn, octobre 1998

BINE : Projekt Info-Service Kraft-Warme-Kopplung mit Brennstoffzellen, Bonn, mai 2000

Energie-Cites : Diagnostic petite cogeneration municipale, Besangon septembre 1999

Energie Plus N° 237 : Supplement: Dossier Cogeneration, decembre 1999

Energie Plus N° 257 : Supplement: Dossier Cogeneration, decembre 2000

Hamburg Gas Consult : Brennstoffzellen: Stand und Perspektiven einer zeitgemassen Technik, Hamburg, avril 1998

Power Engeneering International : Big things in small packages, fevrier 2000

Hagler-Bailly : European Energy Technologies : Global Competitive Review and Critical Success Factors, Workshop on the prospects for more advanced energy efficient industrial processes, Brussels, may 1998

R.A. Bajura : Fuel Cells : Simple solutions in a complicated world, presented at the Joint Fuel Cell Technology Review Conference, Chicago, august 1999

D.M. Rastler : EPRI Perspective - Fuel Cells in Evolving Energy Markets, Fuel Cells 97 Review Meeting, Chicago, august 1997

J.A. Kuipers : 100 kWel SOFC System : Experiences from a user point of view, pp. 450-453, Proceedings of the 1998 - Fuel Cell Seminar, Palm Springs, California, november 16-19 1998

J.H. Hirschenhofer, D.B. Stauffer, R.R. Engleman, M.G.Klett : Fuel Cell Handbook, Fourth Edition, DOE/FETC-99/1076, Morgantown, november 1998

Decision : Les piles a combustibles, 1999

Site Internet

European Fuel Cell Forum: www.efcf-com

Energieverwertungsagentur Osterreich: www.eva.wsr.ac.at/opet/fc_brosch.htm www.ecu.be/iceu/fc/index.htm www.hyweb.de www.elsevier.nl/locate/fuelcell99 www.education.gouv.fr/technologie/reseau/

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ANNEXES

Liste des fabricants (pas exhaustive)

Moteur aaaz Pile a Combustible

EcoPower ALSTHOM Stefan Freudiger Lyoner Str. 44-48 Route de Boujean 39 D 60528 Frankfurt/Main CH 2500 Biel Bienne 4 Tel. (49 69) 6632-0 Tel.: + 41 32 344 20 09 Fax. (49 69) 66-32-2244 Email: Internet: www.ecopower.ch SenerTec GmbH American Fuel Cell Corp. Carl - ZeilS - StralSe 18 268 Summer Street D 97424 Schweinfurt Boston, MA 02210, USA Tel. (09721) 651 - 0 Tel. 001-617-542-6352 Fax. (09721)651 -230 Fax. 001-617-695-3272 Email: Internet: www.analyticpower.com Internet: Moteurs Stirlina DAIS Corp. 2415 Destiny Way Suite 2 Sigma Elektroteknisk A:S: Odessa, FL 33556, USA P.O. Box 58 Internet: http://dais.net/ N-1550 Helen Tel.: +47 64 98 24 00 Fax: +47 64 98 24 0, E-mail: info(®siama-el.com Internet: www.sigma-el.com

Micro-turbine aaaz HGC Hamburger Gas Consult Heidenkamsweg 101 ABB Zantingh Energie Systemes D 20097 Hamburg BP 6 Tel. (+49) 20 23533-0 02930 LAON Fax (+49) 20 2366-3730 Tel. 03 23 28 68 68 Email : [email protected] Fax. 03 23 28 68 60 Email: Internet:

CIAC MTU Friedrichshafen GmbH 2H Energy MTU Motoren- und Turbinen-Union Rue de la Boucle Friedrichshafen GmbH Zl Les Marches du Rhone D 88040 Friedrichshafen 69720 St. Laurent de Mure Tel. (+49) 7541 90-3785 Tel. : 04 72 48 33 00 Fax. (+49) 7541 90-2724 Fax : 04 72 48 33 48 Internet: www.mtu-friedrichshafen.com/

SDMO Groupes Electrogenes ONSI Corporation Zone Industrielle 195 Governor's Highway 26 Avenue Roger Hennequin - BP 30 P.O. Box 739 78192 TRAPPES CEDEX South Windsor, CT 06074, USA Tel. 01 30 69 49 00 Tel. (001) 860-727-2550 Fax. 01 30 62 32 37 Fax. (001) 860-727-2319 Email: Internet: www.onsicorp.com/index.html Internet: www.sdmo.com

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SOFFIMAT Plug Power L.L.C 22, avenue de la Grande Armee 968 Albany-Shaker Road 75017 PARIS Latham, NY 12110, USA Tel. 01 55 37 46 00 Internet: www.plugpower.com Fax. 01 55 37 46 36

Siemens/Westinghouse Power Corp., STS SOFC Power Generation 1310 Beulah Road Building 401 Pittsburgh, PA 15235, USA Internet: www.stc.westinahouse.com/deDt/

Sulzer Hexis Ltd. P.O. Box 414 CH-8401 Winterthur Schweiz Tel. (+41) 52-262 8276 Fax. (+41) 52-262 6333 Internet: www.hexis.com

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20 ADEME/Energie-Cites FICHES DE CAS Nouvelles

technologies 21

Arnhem Armagh Aachen Chelles Ludwigshafen Land Frankfurt Berlin Bielefeld Basel de

petite

Hessen cogeneration (CH) (DE)

(FR) (DE) (UK) (ML)

(DE) (DE)

(DE) (DE) 47 43 27 23 59 55 51 39 35 31 avril 2001 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

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Petite Cogeneration Aachen (DE)

Aspects generaux

La ville de Aachen, qui compte 240 000 habitants, est situee a cinq kilometres de la front!ere entre la Belgique, les Pays-Bas et I’Allemagne. Bile conserve de nombreux temoignages de son passe, notamment sa cathedrale et la chapelle de Charlemagne ou furent couronnes les rois allemands. Bile est egalement un lieu de cure (thermes de chlorure de sodium), un site industriel (textile, metallurgie, denrees de luxe, etc.) et de recherche.

Donnees climatiques : Deg res jours (Base 15°C) : 2 540 Temperature annuelle moyenne : 11,2 °C

CONTEXTE

La societe AS BAG Energie GmbH est un fournisseur d ’energie qui, malgre sa faille relativement reduite, s’implique fortement dans les secteurs de I’electricite, du gaz et du chauffage urbain. La Ville de Herzogenrath possede 25,1 % des parts de ASEAG Energie GmbH (minorite de blocage), la Ville de Wurselen 13%. Elle a fait preuve ces dernieres annees d un grand engagement en mat!ere d ’energies renouvelables et d ’utilisation rationnelle de I’energie. Citons notamment la subvention d ’installations photovoltai ques, la creation d une installation eolienne ou encore la construction de centrales de cogeneration.

Le modele d ’Aachen en mat!ere de subvention de I’energie photovoltai que a fait couler beaucoup d ’encre pendant de nombreuses annees jusqu’a la liberalisation du marche de I’electricite. A partir de ce moment-lq ce distributeur communal d ’electricite n’a plus ete en mesure de payer, comme auparavant, jusqu’a 0,90 Euro/kWh aux fournisseurs prives d ’electricite photovoltai que. ASEAG Energie GmbH avail subventionne, jusqu’a fin 1999, 119 installations ay ant une puissance totale de 375 kWp (production annuelle estimee : 300 MWh). L’eolienne de ASEAG Energie GmbH (1,5 MW) a ete inauguree en decembre 1997. Elle a fourni 3,26 GWh la premiere annee, depassant ainsi les previsions des experts (2,5 GWh) de 30 %. Un nouveau record a failli etre battu en 1999.

En 2000 et 2001, ASEAG Energie GmbH a finance a hauteur de 50.000 Euro des actions visant a encourager une utilisation rationnelle de I’energie. Ce programme d ’incitation concerne les domaines suivants : • reduction des pertes d ’energie liees au mode stand-by, • appareils managers afaible consommation d ’electricite,

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• chauffe-eau solaires (environ 40 Euro/m2), • modernisation de bailments d ’habitation (chaudiere agaz de condensation, raccordement au reseau de chauffage urbain, pompes a chaleur electriques, isolation thermique, aeration controlee des appartements).

Experience de Aachen

Type de turbine agaz On appelle en general micro-turbine a gaz de petites turbines rapides dont les chambres de combustion fonctionnent a des pressions et a des temperatures peu elevees, dans une fourchette de puissances allant environ jusqu’a 200 kWe. II n’existe pas encore de definition plus precise. Les micro-turbines sont basees sur la technologie des turbocompresseurs de ['Industrie aerospatiale. II existe six fabricants debut 2001 sur le marche mondial (pour neuf modules d une puissance de 30 a 100 kWe), seule une petite partie de leurs appareils etant disponible ala vente.

Citons quelques-uns des avantages des micro-turbines : • faibles couts d ’investissements specifiques, • combinaisons libres pour produire de I’electricite, de la chaleur, du froid et de la vapeur, • faibles emissions de polluants, • taux de rendement electrique de 25 - 28 %, en charge partielle egalement, • aucun lubrifiant necessaire, tres faibles besoins en maintenance, • fonctionne au gaz nature!, au fuel, au GPL, au gaz d epuration, au grisou, • mobilite et flexibility grace al ’independance par rapport au reseau.

La micro-turbine agaz Capstone qui fait I’objet de cette etude a ete testee en 1999 par la societe Ruhrgas AG. Trois interruptions ont eu lieu pendant ce test, mais elles etaient liees au systems du combustible. Les donnees obtenues en mat!ere de puissance, de rendement, de consommation d ’energie, de temperature des gaz emis et de courants des masses de gaz emis correspondaient de maniere generals aux indications du constructeur. Ceci permettra au fournisseur allemand de I’installation, G AS. Energietechnik de Krefeld, de garantir des intervalles de 8 000 heures entre les differentes maintenances et de prevoir une duree de vie de 50 000 heures pour la micro-turbine agaz. G.A.S., bien etabli sur le marche des moteurs de cogeneration, s’est assure la vente exclusive pour I’Allemagne de la turbine de I’entreprise californienne, dont void les caracteristiques techniques :

Puissance electrique 28 kW Puissance thermique 60 kW Puissance calorifique total 110 kW Rendement electrique 26 % Rendement total 73 % Temperature de la chaleur 270 °C recuperable Dimensions lonqueur 2,500 m largeur 0,800 m hauteur 2,000 m

(.’installation pilote a Aachen La premiere micro-turbine a gaz allemande a ete officiellement miss en service en mai 2000 par ASEAG Energie GmbH. Elle couvre les besoins de base en chauffage des 48 appartements du complexe de la societe immobiliere d ’interet public GeWoGe dans la Banker-Feld-Strasse a Aachen. De dimensions similaires a une simple installation de cogeneration, elle fonctionne entre 5.500 et 6.000 heures par an. Apres divers tests, ['installation est passee en fonctionnement automatique en octobre 2000. Un accumulateur de chaleur de 6 m3 permet de ne faire travailler la turbine a gaz qu a son taux de rendement optimal de 96.000 tours par minute. Une chaudiere a gaz de 200 kW couvre les pics de charge, aucune redondance n’a ete calculee lors de son dimensionnement.

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AS BAG Energie GmbH a conclu un contrat de contracting pour les installations avec GeWoGe, ce qui signifie que AS BAG a planifie, construit et finance ['installation et la gerera encore pendant une periode de 15 ans, pendant lesquels elle assurera simplement le chauffage des locataires de GeWoGe.

A la suite de la liberalisation complete du marche de I’electricite en Allemagne, ASEAG peut utiliser le courant qu elle produit de trois manieres differentes : • injection dans le reseau de I’entreprise communale, la STAWAG, • transfert vers son propre reseau, distant de quelques kilometres uniquement, • vente directs de I’electricite aux locataires beneficiant dejadu chauffage.

La variants actuellement choisie est I’injection dans le reseau, mais la decision finale n’a pas encore ete prise. Des negotiations longues et difficiles sont en cours entre les deux fournisseurs d ’energie (communaux) a propos du prix de rachat de I’electricite injectee, des frais de transport et des droits de distribution car le produit de la vente de cette electricite est decisif pour la rentabilite de [’installation.

Gouts lies ala turbine ASEAG Energie GmbH a invest! environ 150.000 euros pour la centrals de chauffage. Sa tentative d ’obtenir des subventions publiques pour [’utilisation de la premiere micro-turbine a gaz allemande a echoue. Motif: le volume des investissements consacres a cette turbine a gaz etait de 45.000 euros trap faible pour lui permettre d ’en beneficier. Les couts d ’investissement specifiques de la turbine, de 1.500 euros, restent legerement superieurs a ceux d une centrals de cogeneration equipee d un moteur a gaz de la me me categorie de puissance. Apres un apergu des prix indicatifs fournis par I’Agence de I’Energie de la Ville de Frankfurt pour 2000, la maintenance de la turbine a gaz s avers nettement plus economique, et ce d un facteur 2,4 (0,85 au lieu de 2,15 cents d ’Euro/kWh). Pour 6.000 heures de fonctionnement, les economies se chiffrent a 2.200 euros.

Les acteurs principaux Outre ASEAG Energie GmbH, la societe immobiliere communale d ’Aachen GeWoGe AG ainsi que le fournisseur de la turbine a gaz, G A S. Energietechnik GmbH de Krefeld, sont egalement responsables du projet d ’Aachen. ASEAG et GeWoGe ont deja installs ensemble une petite centrals de cogeneration equipee d un moteur a gaz a [’occasion d un autre projet immobilier a Aachen. A I’issue de ces experiences positives, une autre centrals etait prevue pour le site de la Banker-Feld-Strasse, mais ASEAG, qui exploits de nombreuses centrales de cogeneration habituelles de puissances allant de 15 kWe a 1,5 MWe, etait depuis longtemps a la recherche d une opportunity cpi lui permettrait de tester une alternative aux moteurs. Elle a pris contact avec G A S. par I’intermediaire de I’universite de Giessen, ce qui a debouche sur la construction d une installation de demonstration par les trois partenaires. L’utilisation rationnelle et ecologique de I’energie est un objectif majeur de la GeWoGe, dont la Ville de Aachen possede environ 60 % du capital en actions. Elle I’a deja demontre a travers de nombreux projets innovants. II convient tout particulierement de remarquer le projet pilots "Habitat pour les jeunes et les anciens" mens en collaboration avec la Ville de Aachen, dont les objectifs ambitieux sont a la fois sociaux (equipements collectifs) et technologiques (utilisation de I’eau de pluie, centrales de cogeneration), le projet aboutissant en 2001 a la construction d un lotissement de maisons "passives" utilisant dans une large mesure la technique sola!re.

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Evaluation et Perspectives

La micro-turbine a gaz d ’Aachen a repondu aux attentes au cours de ses trois premiers mois de fonctionnement automatique, mais, debut 2000, II etait naturellement encore impossible de donner des informations fiables en mat! ere d ’entretien de ['installation et de rentabilite apres une phase de fonctionnement aussi courte. Neanmoins I'installation de Aachen a ete elu "BHKW des Monats (cogeneration du mois)" en octobre 2000 par le magazine specialisee Energie & Management. AS BAG Energie GmbH estime cependant deja que les installations de micro-turbines pourraient relancer la cogeneration dans les fourchettes de puissances de 30 a 200 kWe, notamment dans le contexte d une forte pression sur les prix ala suite de la liberalisation du marche.

Le fabricant de la turbine, G A S. Energie GmbH, qui a installe une turbine de me me type en 2000 chez EWE a Oldenburg, partage egalement ce point de vue. L’installation a Oldenburg fait partie d une centrale de chauffage destinee a approvisionner un nouveau quartier qui compte actuellement 30 a 35 maisons individuelles et devrait englober a terme environ 250 batiments. Capstone propose entre temps egalement une turbine a gaz d une puissance electrique de 60 kW. G A S. mettra cette installation au banc d ’essai avant de la commercialiser eventuellement en 2001.

Pour aller plus loin

ASEAG Energie GmbH Stephan HUNZE PF 33 30 DE - 52120 Herzogenrath Tel : +49 2407 579 14 Fax : +49 2407 579 37 Email : [email protected] Http: www.aseag-energie.de

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Petite cogeneration Armagh (GB) Gazeification du bois

La gazeification est un procede qui consiste a bruler, sous une atmosphere pauvre en oxygene, les matieres combustibles presentes dans les dechets organiques ou la biomasse pour les transformer en gaz durant la phase de carbonisation. Cette technologie presente des avantages certains. Elle permet en particulier d’utiliser, avec une faible perte d’energie, de la biomasse comme combustible dans des moteurs de cogeneration de petite faille, ce qui n’etait pas possible avec les technologies conventionnelles. L’etat de la technique dans ce domaine progresse rapidement et la Municipality de Armagh, en Irlande du Nord, a lance un projet d’unite de gazeification, le gaz ainsi produit etant utilise pour alimenter une petite installation de cogeneration.

Aspects generaux

La ville d ’Armagh est situee au sud de I’lrlande du Nord. Ville d ’histoire, cet eveche est la capitals spirituelle de I’lrlande. Elle offre de nombreuses attractions touristiques, dont un planetarium et un observatoire. Le Palace Stables abrite un centre du path mol ne et St. Patrick ’s Than livre ai visiteur une fresque de I’histoire d ’Armagh. A trois kilometres de la ville se trouve le Fort Navan, qui fut la forteresse des Rois d ’Ulster des 7000 av. J.C.. Le Navan Centre permet d ’y decouvrir I’archeologie et la mythologie de ce site.

Donnees climatiques: Deg res Jour par an (base 15,5 °C) : 2 440 Temperature annuelle moyenne : 8,5 °C

CoNTEXTE

L’entreprise B9 Energy Biomass Ltd, specialises dans les energies renouvelables, la Ville et le District d Armagh ainsi que le Blackwater Valley Museum de Benburb se sont associes pour construire une installation de cogeneration fonctionnant au bois dans le muses. La chaleur ainsi produite est utilises pour chauffer les locaux du muses et I’alimenter en eau chaude sanitaire. Elle permet egalement de fournir de l electricite a environ 400 logements. L’objectif de ce projet etait de diversifier les revenus agricoles, de promouvoir le developpement economique et la creation d ’emplois lies aux energies renouvelables en milieu rural. Ce projet, lance a initiative de B9 Energy, est une premiere en Irlande du Nord. La valorisation energetique du bois, de me me que lenergie eolienne, hydraulique ou solaire, est activement soutenue par le gouvernement car il s’agit d une energie renouvelable dont (’utilisation peut contribuer a reduire la pollution. Afin d ’augmenter la contribution des energies renouvelables dans le bilan energetique du Royaume-Uni, le Gouvernement Britannique a mis sur pied une strategie visant a favoriser leur penetration sur le marche et contribuer ainsi a leur developpement. L’introduction en Irlande du Nord de la Non-Fossil Fuel Obligation (NFFO), legislation imposant (’utilisation de combustibles non fossiles, fait partis de cette strategie. Le but recherche est cfe demontrer que ces techniques de production d ’electricite, lorsqu’elles se rapprochent des criteres de competitivite du marche, peuvent etre viables et assurer leur perennite, une fois lancees, sans aide specifique. Des obligations de meme nature ont egalement ete introduces au Pays de Galles, en Ecosse et en Angleterre.

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Experience de Armagh

Le combustible Le bois utilise comme combustible pour l'unite de gazeification est un melange de bois provenant de forets existantes et de saules cultives en taillis par des agriculteurs de la region. L'Irlande du Nord dispose d'un potentiel enorme pour l'exploitation de saulaies. Dans un premier temps, en attendant que des subventions soient mises en place afin d'encourager les agriculteurs a planter des saules, l'unite utilisera des copeaux provenant de scieries. La livraison des copeaux au musee se fait par camion deux fois par semaine.

B9 Energy Biomass Ltd. travaille au developpement de ressources energetiques issues de la foret et des cultures energetiques (dont le saule). Elle a deja teste l'utilisation de dechets forestiers et mis au point des strategies d'approvisionnement integre, ce qui lui a valu de remporter un contrat avec le Departement de l'Agriculture pour l'Irlande du Nord. Ce contrat, etabli sur 15 ans, concerne la fourniture de dechets forestiers provenant des comtes de Tyrone, Fermanagh et Londonderry. Les cultures energetiques sous la forme de taillis de saules a courte revolution (TCR) font l'objet d'etudes en Irlande du Nord depuis les annees 70. Grace a ces recherches, elles peuvent maintenant etre integrees aux pratiques agricoles locales.

L'Irlande du Nord dispose d'environ 1 000 000 hectares de terres agricoles et l'on estime qu'environ 70 000 hectares pourraient etre consacres a la culture de saules dans les comtes de Fermanagh et Tyrone, sans perte de revenus agricoles. Les etudes menees aux Royaume-Uni montrent que des rendements annuels superieurs a 12 tonnes anhydres 1 par hectare sont de l'ordre du possible. Le pouvoir calorifique brut des copeaux de bois anhydres est d'environ 5,4 kWh/kg. Selon l'etude de l'ETSU (l'Agence Britannique de l'Energie) intitulee "Les energies renouvelables en Irlande du Nord", le potentiel de production d'electricite a partir de cultures energetiques de saules est de 170 GWh/an pour une surface cultivee de 70 000 hectares. Soit l'equivalent d'une centrale de 54 MW. La valorisation energetique des taillis de saules presente un interet ecologique : outre le fait que cette valorisation permet d'eviter de rejeter du CO2, les emissions de SO2 et de NOx sont beaucoup plus faibles qu'en cas d'utilisation de combustibles fossiles.

Les avantages pour I’economie locale et I’environnement Les cultures energetiques comme le saule offrent de nouvelles possibilites en terme d'amelioration de l'environnement ainsi que de stabilisation et de diversification des revenus en milieu rural. Les plantations de saules, en participant au boisement des campagnes, contribuent egalement a creer un nouvel habitat propice au developpement d'une faune et d'une flore diversifies.

L'etablissement de contrats de fourniture d'energie renouvelable sur 15 ans assure a la production de bois de saule un marche stable avec la possibilite d'indexer une partie du revenu agricole. De plus, la culture du bois de saule etant essentiellement une culture d'hiver (80% des travaux devant etre realises entre Decembre et Mars), elle permet une diversification des activites agricoles. Enfin, on estime qu'environ 1,4 million euros2 seront depenses au profit de l'economie locale pour l'achat de combustible et en frais de main d'cuvre au cours de ces 15 ans.

Une unite de cogeneration fonctionnant au bois L'unite de cogeneration a ete congue et fabriquee en Irlande du Nord. C'est le premier modele au monde a utiliser la technique de gazeification, avec tirage en partie basse, appliquee a la cogeneration. Le systeme d'alimentation est continu et sans aucune production d'effluents liquides. Il s'agit a l'origine d'une technologie suedoise, developpee a la fin de la seconde guerre mondiale pour fournir du carburant bois aux vehicules (les gazogenes), et qui a ete adaptee a une installation fixe. Le bois est amene par camion au musee deux fois par semaine. Il est d'abord seche en utilisant la chaleur generee par l'unite de cogeneration. Cette operation, qui permet de faire passer le taux d'humidite des copeaux de bois d'environ 50% a 10-15%, est rendue necessaire en raison des contraintes techniques qu'impose le procede de gazeification avec tirage en partie basse.

1 Definition : qui contient environ 5% d'eau 2 Un € equivaut a 0,705 Livre.

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Dans le gazeificateur, les copeaux de bois sent ensuite chauffes dans une atmosphere rarefiee et transformes en gaz combustible et en charbon de bois sans residu. Ce gaz est un melange de gaz combustibles (hydrogene, monoxyde de carbone et methane) et de gaz non combustibles comme le dioxyde de carbone et I’azote.

II est ensuite purifle, refroidi, melange a de l air et injecte dans le moteur. L’allumage du moteur se fait par compression et le carburant utilise est le diesel (5 a 10% du combustible total utilise).

L’unite de cogeneration a une capacite electrique de 200 kWe et thermique de 400 kWt. L’electricite produite est en 415 V, et doit etre transformee en 11 kV pour pouvoir etre injectee sur le reseau NIE.

Les gaz d ’echappement du moteur contiennent une grande quantile de chaleur, laquelle est recuperee par passage dans un echangeur de chaleur. La chaleur degagee par I’enveloppe du moteur est egalement recuperee. Cette energie est en partie utilisee pour secher les copeaux de bois et en partie pour chauffer le musee. Le dimensionnement de I’unite de cogeneration n’a pas ete calcule par rapport aux besoins thermiques du musee, mais en fonction du contrat de fourniture, lequel prevoit la fourniture de 200 kW electriques. La consequence de cette obligation contractuelle est un solde de 400 kW de chaleur a pres sechage des copeaux, solde qui correspond a peu pres aux besoins du musee. Une chaudiere au fuel serf de complement au musee lorsque I’unite de cogeneration est arretee pour entretien ou en periode de tres grand froid. L’excedent de chaleur ne peut etre distribue vers d ’autres bailments. Aucun branchement en effet n’a ete prevu car il n’y en avail pas besoin.

L’unite peut fonctionner 24h/24 et sans intervention humaine pendant 6 jours consecutifs. Au-delade cette periode, le container de cendres doit etre vide et le stock de copeaux de bois renouvele. La duree de vie de [’installation devrait s’averer comparable a celle d une centrale thermique a vapeur pour une efficacite energetique globale de I’ordre de 70%.

La production annuelle de chaleur et d ’electricite est estimee a 1300 MWh et 2600 MWh respectivement. Si I on compare les rejets atmospheriques occasionnes par cette technique avec ceux produits par un systeme fonctionnant au fuel par example, les rejets evites, a quantiles egales de chaleur et d ’electricite produites, s’elevent a:

C02 evite 1 700 tonnes NOx evite 12 tonnes SO? evite O CM tonnes

La compagnie locale d ’electricite achete toute lelectricite produite. Le musee dispose d un raccordement et d un contrat specifiques pour I’achat d ’electricite dont il a besoin. Le tarif est le me me a I’achat ou a la vente, soil 0,11 € le kWh. Le generateur qui est re lie au moteur est un generateur asynchrone, comme dans les eoliennes. La qualite de l electricite produite est conforme a la norme G59, qui definit des limites maximum et minimum de tension et de frequence, et regit les pertes sur le secteur, les changements de vecteur, retours de courant, fuites etc.

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Evaluation et Perspectives

Ce projet a clairement demontre que la technique de gazeification du bois a petite echelle pouvait etre utilisee en cogeneration et I’unite de demonstration commerciale de Blackwater Valley, officiellement mise en service en Novembre 1999, devrait apporter de nouvelles commandes a la societe nord irlandaise. Le Blackwater Valley Museum, quant a lui, utilise la chaleur gratuite fournie par rinstallation de cogeneration pour developper ses ressources touristiques autour de son attraction principale, un moulin a eau pour le travail du lin.

Les connaissances accumulees au cours de ce projet d ’installation de cogeneration a bois a Armagh ont conforte la societe specialisee dans les energies renouvelables dans sa volonte de produire, vend re et mettre en service des micro-unites de cogeneration fonctionnant abase de bois.

La combinaison de facteurs tels que [’exploitation de ressources locales pour la production d une energie propre, [’engagement des acteurs locaux et le recours a la main d ’cavre locale, associee a une amelioration de I’environnement rendue possible par la plantation de nouveaux arbres et la reduction des rejets atmospheriques a permis d ’ameliorer la qualite de vie des habitants de la region.

Le travail du lin est la principale attraction du musee. L’installation se trouve a proximite de la riviere Blackwater dont les eaux sont egalement utilisees comme source d ’energie renouvelable au moyen d un systeme au til de I’eau fonctionnant avec une turbine Francis de 75 kW. 55 kW en moyenne sont ainsi produits et exportes sur le reseau. C’est a une association de benevoles de la ville que I on doit la mise en service de cette mini-centrale hydroelectrique, laquelle a ete financee a hauteur de 50% grace a une aide du Fond Europeen de Developpement Regional.

L’avenir de cette technologie de gazeification passe par un developpement de la capacite de production au Royaume-Uni et en Republique d ’lrlande. B9 Energy Biomass travaille egalement sur d ’autres contrats europeens pour la fourniture d ’equipements vers d ’autres marches.

Pour aller plus loin

B9 Energy Biomass Ltd. Unit 22 - Northern Road Industrial Estate Debra JENKINS IE - Derry Co. Londonderry BT48 OLD Tel : +44 28 7127 1520 Fax: +44 28 7130 8090 E-mail: [email protected] Web: www.b9enerav.co.uk

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Petite cogeneration Arnhem(NL)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. Un projet-pilote realise dans les environs de la ville dArnhem avec une pile a combustible a oxyde solide de 100 kWe (technologie SOFC) a permis de prouver a quel point cette technologie du SOFC est prometteuse en vue d’une production propre et efficace d’electricite pour les annees a venir. Pendant plus de 16.500 heures cette installation a fonctionne avec grand succes.

Aspects generaux

Fondee par les Remains au bord du Rhin la ville d'Arnhem est devenue membre de la Hanse et la residence des dues de Gueldre. Aujourd’hui chef- lieu de la province de Gueldre, Arnhem compte environ 140.000 habitants pour une agglomeration de 320.000. Ville commerciale depuis toujours, elle a aussi reussi a attirer I’industrie, notamment la chimie.

Donnees climatiques : Degres jours (18°C) : 3.200 Temperature annuelle moyenne : 8,8 °C

CoNTEXTE

La cogeneration constitue un element important de la politique de reduction de C02 et de maTtrise de I'energie menee aux Pays-Bas. Le programme d'action pour la protection de I'environnement qui a ete elabore par les compagnies de distribution de I'electricite est un exemple tout a fait frappant de la strategic resolument volontariste poursuivie par le gouvernement neerlandais dans ce secteur. II s'agit la d'un programme unique, d ’une part parce que les compagnies d'energie y assument leurs responsabilites pour la protection de I'environnement en encourageant la maTtrise de I'energie et le recours a des sources d'energie propres, d autre part parce que la cogeneration y est consideree comme le principal moyen permettant de remplir les objectifs fixes par le programme. La cogeneration est en effet censee etre a I’origine de 40% des reductions fixees pour les emissions de C02.

L'engagement des compagnies d'energie constitue certainement un facteur-cle de son developpement. En regie generate, I’attitude des compagnies d'energie neerlandaises envers la cogeneration est positive et elle constitue pour la plupart d'entre elles une source interessante de fourniture d'electricite. Ceci vaut egalement pour les nouvelles technologies de cogeneration. Des 1996 plusieurs compagnies d ’energie neerlandaises ont coopere dans le cadre d ’un projet-pilote pour faire fonctionner une pile a combustible par leurs propres moyens pendant une duree de 3 ans.

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Experience de Arnhem

Les acteurs principaux De janvier 1998 jusqu’a decembre 2000 le consortium EDB/ELSAM a mene un projet-pilote pour etudier une pile a combustible aoxyde solide (appelee en anglais « Solid Oxid Fuel Cells », d ’ou le sigle SOFC ; pour de plus amples renseignements sur ce type de pile, consulter la fiche de cas sur "Basel"). Ce projet-pilote a ete realise a Westervoort / Arnhem aux Pays-Bas. Le consortium EDB/ELSAM comprend les compagnies d ’energie neerlandaises ENECO, Essent et NUON, EnergieNed (la Federation des compagnies d ’approvisionnement energetiques aux Pays-Bas) et ELS AM, la compagnie de production d ’electricite danoise. Le gouvernement neerlandais a subventionne ce projet-pi lote en passant par NOVEM. Le generateur de la pile type SOFC a ete fourni par la Siemens-Westinghouse Power Corporation des Etats- Unis d ’Amerique.

L’installation-pilote d'Arnhem Pendant presque trois ans la pile a combustible a produit de I’electricite injectee dans le reseau public et de la chaleur pour le reseau de chauffage urbain de Duiven et de Westervoort. Les donnees techniques caracterisant cette pile a combustible sont les suivantes :

Puissance electrique 100 kW Puissance thermique 54 kW Rendement electrique 47 % Rendement total 75 % Temperature de 1000 °C fonctionnement Temps de montee en 14 h puissance

Pendant la duree du projet-pi lote, un vaste programme d ’essais a permis d ’etudier la performance technique du systeme dans des circonstances variees. Ce programme d ’essais comprenait plusieurs series de test permettant d ’examiner la performance technique du systeme dans des conditions de fonctionnement variees. Entre ces series de tests, grace a une longue periode de fonctionnement en regime continu et dans des conditions nominales, il a ete possible d ’obtenir des informations precieuses sur le fonctionnement et la maintenance du systeme. Les informations obtenues pendant la periode de fonctionnement nominal concernent la fiabilite des divers composants du systeme, la duree de vie de I’absorbeur de soufre et des filtres aair ainsi que to us les autres aspects relatifs ala maintenance.

Cette serie a indue deux tests d evaluation des performances realises afin d ’obtenir des renseignements sur les rendements, les emissions et la degradation de I’unite. Durant ces tests, I’unite a fonctionne en regime continu et dans des etats definis. Le premier test d evaluation des performances a ete realise en octobre 1999, le dernier en novembre 2000. Afin d ’obtenir des indications fiables sur toute sorte de deterioration possible, le premier et le dernier test ont ete effectues exactement dans les memes circonstances. Pendant le test aucune degradation n’a ete enregistree, et les donnees mesurees correspondaient exactement aux donnees du premier test.

Le projet-pilote a ete termine vers la fin 2000, quelques semaines apres la derniere serie de tests. La serie de tests initials qui avait ete prepares pour le debut de la periode de fonctionnement a ete adaptee successivement en fonction des nouvelles experiences acquises et des nouveaux eclaircissements obtenus. L’adaptation et optimisation des series de tests a ete un volet crucial de ce projet-pi lote.

Un autre volet important a ete I’enregistrement de tout evenement particular observe pendant le fonctionnement. Un journal de bord est de ce fait indispensable afin d ’evaluer et d ’analyser des evenements imprevus ; il offre en meme temps des donnees utiles sur les imperatifs a respecter en matiere de fonctionnement et de maintenance de I’unite.

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Resultats de la serie de tests L’unite du type SOFC a fonctionne avec succes pendant plus de 16.500 heures apres le demarrage du systeme en 1998. Son fonctionnement a ete interrompu en juin 1998 au bout de presque 4.000 heures de regime continu pour transporter la pile chez son fournisseur Westinghouse aux Etats-Unis pour une inspection interne du stack (reacteur) et pour une reparation. Depuis mars 1999 la pile a fonctionne avec un stack retouche et fait preuve d un fonctionnement stable dans des conditions nominales jusqu’a la fin du projet en decembre 2000 - ceci avec une seule interruption de 7 semaines en juillet/aout 1999 en raison de problemes lies au systeme de reglage de la puissance (Power Conditioning System).

Pendant les trois premiers mois de fonctionnement avec le stack ainsi retouche, I’efficacite electrique dans des conditions nominales a augments progressivement jusqu’a ce que le systeme atteigne une performance stable. Des mesures effectuees pendant le test d evaluation en octobre 1999 et en novembre 2000 ont prouve que la performance etait toujours stable dans des conditions nominales et aux memes niveaux.

electrique (courant electrique (courant thermique continu) alternatif) juillet 1999 puissance kW 127 109 64 rendement % 53.5 45.9 26.8 octobre 1999 puissance kW 127.4 109.1 65.3 rendement % 53.6 45.9 27.4 novembre 2000 puissance kW rendement %

Le rendement electrique se rapproche des objectifs fixes dans le rapport du projet final. Les differences observees entre les resultats obtenus pour le courant alternatif et le courant continu sont entierement causees par des pertes liees au convertisseur ainsi qu a la consommation des auxiliaires. Toutefois la performance du convertisseur peut encore etre nettement amelioree dans les futurs systernes.

Aucune degradation du stack n’a pu etre observee. Des mesures effectuees pendant le test d evaluation de la performance ont pouve I’absence totale d emissions polluantes et un niveau de bruit tres faible. Les tests du comportement statique ont permis de montrer - par le biais d une extrapolation des courbes - que la temperature optimale du stack (qui permet un rendement maximum net de courant alternatif) etait de 1.010°C, mais le fournisseur a limite la temperature maximale a 985°C pour le regime continu. Le point de fonctionnement optimal pour [’utilisation de la pile a combustible a ete observe a 85 %, et done pres des conditions de fonctionnement de [’installation.

Gouts de la turbine Les couts de ce projet s’elevent a 9 millions d ’Euros, dont 0.68 millions d ’Euros subventionnes par NOVEM. Les partenaires associes au projet ont pris en charge tous les autres couts. II n’y a pas eu de support financier par la Commission europeenne.

Cette installation a ete demontee en janvier 2001 pour etre transferee a Essen, ou le fournisseur d ’electricite allemand RWE compte initier une nouvelle serie de tests.

33 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Evaluation et Perspectives

Apres plus de 16.500 heures de fonctionnement, ce projet-pilote sur la pile a oxyde solide mene par EDB/ELSAM a fourni une contribution positive a la commercialisation de la technologie du type SOFC. Quoiqu’il y ait encore un besoin de perfectionnement a plusieurs egards, ces tests ont permis de prouver que la technologie du type SOFC est tres prometteuse en vue dune production propre et efficace d ’electricite pour les decennies a venir. Cependant il sera crucial de reduire encore considerablement les routs avant de passer a une commercialisation qui soit couronnee de succes.

Plusieurs series de tests ont prouve que le rendement de installation du type SOFC dans des circonstances variees repond aux attentes definies dans le projet. Ces tests ont egalement permis d ’observer que le rendement de installation n’a pas ete affecte par les cycles thermiques ni par une breve periode de contamination sulfureuse. Aucune degradation du stack de la pile a combustible n’a pu etre observee jusqu’a la fin du deroulement du projet. Le rendement stable de installation pendant la periode de fonctionnement nominal a demontre un certain deg re de fiabilite. II y a juste eu quelques interruptions forcees pendant la duree de ce projet-pilote. Cependant toutes ces interruptions ont ete dues aux equipements peripheriques de installation ou au logiciel de commande ; le stack meme de la pile a combustible n’a pas ete en panne de fonctionnement. Ceci dit, il est recommande pour instant d avoir recours acette technologie pour couvrir la puissance de base.

Pour aller plus loin

EnergieNed Herman M. VERBEEK P C. Box 9042 NL - 6800 GD Arnhem Tel : +31 26 35 63 522 Fax : +31 26 44 56 781 Email : [email protected] Http: www.eneraiened.nl

34 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration | Basel (CH)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine agaz. A Basel, la premiere centrale de cogeneration a ete raccordee au reseau en 1980. La ville a toujours mene une politique en faveur de cette technologie. Aujourd’hui, a Basel on compte 25 installations - parmi elles un moteur a gaz de 3 kWe et une pile a combustible de 1 kWe - gerees par differents operateurs.

Aspects generaux

Le Rhin divise la ville aux frontieres de la France et de I’Allemagne en deux parties : sur la rive droite, le Petit Bale quartier Industrie I et port sur le Rhin; sur la rive gauche, le Grand Bale, centre commercial et culturel. Seul grand port fluvial de la Suisse, Basel (170.000 habitants) a profile de cette situation pour etablir une Industrie chimique, metallurgique, alimentaire et textile, qui a ete dans le passe une source importante de pollution urbaine.

Donnees climatiques : Degres jours (18°C) : 3.348 Temperature annuelle moyenne0: 10,8°C

CoNTEXTE

Le Canton de Basel-Stadt est un canton pionnier en mat! ere de politique energetique. Diverses initiatives remontent deja a I’annee 1975. C’est en 1983 que la premiere loi portant sur les economies d ’energie a ete adoptee ; celle-ci introduisait une taxe sur I’energie destines afinancer une partie des mesures prises dans le domaine des economies d ’energie et des energies renouvelables. L’adoption de la loi sur I’energie en septembre 1998 a constitue un pas decisif en introduisant pour la premiere fois en Suisse des taxes d ’incitation visant a limiter la consommation d ’energie en combinaison avec un remboursement aux consommateurs. En plus de ces taxes incitatives, la loi sort a promouvoir de nouvelles methodes permettant d ’economiser I’energie et d ’exploiter les energies renouvelables et la cogeneration.

L’Office de protection de I’environnement et de I’energie coordonne les mesures prises dans le cadre du projet energetique du canton et du programme federal Energie 2000. Au cours des dernieres annees, cet office a mene plusieurs actions de duree limitee sur differents themes en rapport avec I’energie, conjointement avec les Industrielle Werke (distributeur communal d ’energie), notamment : • I’utilisation thermique de I’energie sola!re (subvention de capteurs sola!res), • I’amelioration de I’eclairage (lampes afaible consommation d ’energie), • une action en faveur des pendulaires (vente aprix reduit de 400 velos electriques), • une action d ’economie de I’eau.

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Experience de Basel

La pile a combustible Les piles a combustible dont I’electrolyte est constitue d une couche ceramique sont appelees en anglais des Solid Oxide Fuel Cells, d ’ou le sigle « SOFC ». Le mated a u le plus couramment utilise pour I’electrolyte est un oxyde de zircone stabilise al ’oxyde d ’yttrium.

Comparee aux autres piles a combustible, la SOFC a un systeme de base tres simple. En raison de sa temperature de fonctionnement elevee (environ 900°C), il est possible d ’utiliser directement les carburants conventionnels tels que le gaz nature!, le biogaz, le gaz de houille, le propane de meme que les carbu rants liquides sous forme gazeuse.

La SOFC seduit par sa simplicity. Pour produire de I’electricite, il est egalement possible d ’utiliser des substances telles que le monoxyde de carbone, qui seraient des « poisons » pour les autres Erdgji piles et les endommageraient definitivement. La SOFC est egalement la seule pile reellement «seche ». II suffit de separer ' Abwiirme deux compart!ments de gaz, il n est pas necessaire d ’empecher un ■Iw Wdrmwasstr electrolyte liquide corrosif de s’ecouler ni d ’humidifier des membranes polymeres de maniere controlee.

II est egalement possible de moduler la puissance fournie par une SOFC au sein d une tres large fourchette (de 15 a 100% environ) en modifiant I’arrivee de carburant et d ’air. Ce phenomene est unique en matiere de technique energetique et laisse entrevoir un potentiel d ’utilisation tout a fait nouveau. Une SOFC peut etre fabriquee et eliminee de maniere respectueuse de I’environnement. Les mater!aux utilises sont des metaux et de la ceramique.

La temperature de fonctionnement elevee a au debut provoque des problemes au niveau des materiaux. Elle implique egalement des temps de demarrage plus importants. Les installations que nous connaissons actuellement demandent de deux a quatre heures pour chauffer lorsqu’elles sont froides, ce qui correspond a peu pres au temps de prechauffage du reformeur de gaz nature! en hydrogene d une pile a basse temperature (PAFC, PEFC).

L’installation-pilote a Bale L’entreprise suisse Sulzer Hexis travaille depuis pres de 10 ans a la conception d une petite SOFC qui pourrait etre utilisee comme centrale domestique. En laboratoire, une pile experimental employant de I'hydrogene comme combustible a fonctionne en 1997-98 pendant plus de 12.000 heures. Tous les composants repondent magnifiquement aux exigences. La chute de puissance consecutive au vieillissement a ete minime, avec un rendement electrique de 35%. Des essais en conditions reelles de fonctionnement ont eu lieu en Allemagne en 1997-98 a Dortmund et en Suisse a Winterthur. Ici, la pile etait alimentee a partir du reseau de gaz a basse pression.

A partir d'automne 1998, en Europe cinq installations d'essai en conditions reelles ont ete mises en service pour des tests de longue duree (DE, ES 1999 et NL en 2000 (voir tableau) et une a Tokyo). Chacune d'elles injecte au plus 1 kW dans le reseau electrique, avec un rendement depassant 30% a pleine charge et de 40% a charge partielle.

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Basel (OH) 1998 Oldenburg (DE) 1998 Duisburg (DE) 1998 Bilbao (ES) 1999 Groningen (NL) 2000

L’installation-pilote de Bale est integree a un complexe scolaire. Les principaux elements de ['installation de chauffage, outre la pile a combustible, sont une chaudiere a gaz (1.165 kW) et un module de cogeneration de 400 kWth et 226 kWe. Au cours de la periode de chauffage 1999/2000, la pile a combustible a fonctionne plus de 8.150 heures pour produire 8.000 kWh d ’electricite, le module de cogeneration n’a par centre fonctionne que 2.300 heures mais a produit 450.000 kWh.

Donnees techniques Puissance electrique kW Puissance thermique kW Rendement electrique 40 % (0,5 kW) 33 %(1 kW) Rendement thermique bis 55“ % Rendement total 85' % Consommation de gaz 3,1 kW

Dimensions Longueur 0.75 m Larqeur 0.75 m Hauteur 1.80 m

Evaluation et Perspectives

['installation de Bale, comme les autres installations-pilote, fonctionne sans panne, mais I’objectif en terme de duree de fonctionnement annuel d une pile n’a ete attaint que la deuxieme annee. Ceci resulte des conditions de test initiales (changement frequent des composants a des fins experimentales). Les operations de maintenance s’effectuent toujours selon un intervalle de quatre mois. On calcule encore une charge de maintenance d ’environ une heure par mois ainsi qu’un entretien annuel de la cartouche d ’eau et du desulfurateur pour la preserie (2001-2002), on souhaite atteindre a moyen terme un intervalle de maintenance de cinq ans pour la pile.

Le rendement global devrait se situer au-delade 80%. On pourra recuperer jusqu'a 3 kW sous forme de chaleur, ['appoint thermique necessaire etant fourni le moment venu par un bruleur. Quant a la chaleur produite momentanement en exces, elle sera gardee temporal rement en reserve dans un accumulateur aeau chaude en vue d'une utilisation ulterieure.

La planification de Sulzer prevoit de commercialiser la mini- centrale (1 kWe) apartir de 2001 en petites series de 100 pieces par an. Les couts des premiers appareils seront negocies individuellement avec les partenaires commerciaux (Stadtwerke) en fonction du nombre de pieces et du plan commercial. La production en serie a proprement parler debutera environ en 2004 avec un nombre d ’unites important. On cherche a atteindre a long terme un prix superieur de 1 000 d'euros au prix d ’une chaudiere moderne pour maison individuelle. 3

3 Valable pour des piles fabriquees apartir de 2001

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Le developpement de I'utilisation d'autres piles est encourage en parallele. En laboratoire, la preuve a ete apportee que les piles Hexis pouvaient aussi fonctionner avec du gaz de decharge et du fioul.

Le developpement de la SOFC suscite beaucoup d'interet. Outre les subventions publiques, des entreprises privees ont egalement fourni a Sulzer 1,5 millions d'euros au cours des dix dernieres annees. Le groupe Sulzer a lui-meme investi au cours de cette peri ode pres de 30 millions d'euros dans la recherche et le developpement de la pile a combustible. Plusieurs intentions d'achat ont ete signalees a Sulzer Hexis pour la pile a combustible, entre autres celle de la Ville de Bale qui prevoit de mettre en cuvre 15 a 30 appareils d'ici 2003.

Pour aller plus loin

Stadt Basel Sulzer Hexis AG Amt fur Umwelt und Energie Dr. Harald RAAK Rudolf JEGGE Munsterplatz 11 Postfach 65 CH - 4001 Basel CH - 8404 Winterthur Tel : +41 61 267 93 66 Tel : +41 52 262 82 76 Fax: Fax : +41 52 262 63 33 Email : [email protected] Email : [email protected] Http: www.bs.ch http : www.hexis.com

38 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration | Bielefeld (DE)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. La premiere installation client au monde d’une pile a haute temperature de type MCFC a eu lieu a Bielefeld. Ce sont les Stadtwerke Bielefeld qui gerent cette installation, qui alimente I’universite en electricite et chauffage.

Aspects generaux

La ville de Bielefeld, situee en Westphalie orientale en bordure de la foret de Teutobourg, a ete citee pour la premiere fois en 1015 et compte aujourd’ hui environ 320 000 habitants, dont 20 000 etudiants. Depuis le XVe - XVIe siecle, la ville est au centre de I'industrie textile. [Industrie agro-alimentaire (Oetker) et [’edition occupent egalement une place importante aujourd ’hui. Les monuments a visiter sont la Marienkirche, la Nikolaikirche ainsi que les mines du chateau de Sparrenberg.

Donnees climatiques : Degresjours : Temperature annuelle moyenne : 11,4 °C

CONTEXTE

Les Stadtwerke Bielefeld approvisionnent la ville de Bielefeld ainsi que quelques communes environnantes en electricite, chauffage, gaz naturel, GPL et eau potable et sont egalement responsables, en tant que societe mixte, des transports publics. Contrairement a de nombreuses autres entreprises communales de distribution d ’energie, les Stadtwerke Bielefeld appartiennent encore a 100% a la ville, et done aux citoyens de Bielefeld.

A travers la Maison de la technique construite des 1929, les Stadtwerke Bielefeld ont fourni des services innovants en matiere de conseil a la clientele et environ 25 000 personnes utilisent chaque annee leurs offres de services. Une installation photovoltai que et un capteur sous vide sont actuellement installes sur le toit de la Maison de la technique a des fins de conseil et de recherche.

Le systeme de chauffage urbain, qui est en constante extension depuis 1995 et fonctionne presque exclusivement selon le principe de cogeneration, contribue a la reduction des emissions de polluants a Bielefeld. A cela s’ajoute egalement la pile a combustible mise en service fin 1999 a cote de I’universite.

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Experience de Bielefeld

La pile a combustible Les piles a combustible dont I’electrolyte est une fine couche liquide de carbonates fondus sont appelees en anglais des Molten Carbonate Fuel Cells (pile a carbonates fondus), d ’ou I’abreviation «MCFC». Le materiau le plus utilise aujourd ’hui pour les electrolytes est un melange de 62 % de lithium et C.iShodfr Rucytio 38 % de carbonate de potassium. Ce melange de carbonates a un point de fusion d ’environ 650 °C et est un bon conducteur pour les ions carbonate (C03)2" al ’etat liquide.

Du fait qu’une pile MCFC ne fonctionne qua 650 °C, un reformage partial du combustible est Thcmuil hyultitii?n necessaire avant son entree dans la pile, c’est-a dire une transformation partielle du gaz nature! et de vapeur d ’eau en dioxyde de carbone et en hydrogene. Ceci distingue la pile MCFC d une pile Cwamit Fr-r.nic SOFC dans laquelle la transformation chimique peut s’effectuer directement au niveau de I’anode.

Cette temperature de fonctionnement de 650°C presente sans conteste des avantages en matiere de thermodynamique. La chaleur degagee par la pile MCFC peut etre utilisee pour le reformage du combustible ou pour produire de la vapeur industrielle. Cette pile semble done tres interessante pour la generation stationnaire d ’electricite y compris de la chaleur industrielle. ['utilisation comme centrale de cogeneration est egalement possible. La pile a haute temperature, contrairement aux piles a basse temperature, peut trailer directement une multitude de gaz combustibles (gaz naturel, gaz de decharge, gaz d epuration, gaz de houille).

La pile MCFC a cependant un fonctionnement plus complexe que les autres piles a combustible, ce qui entraTne des couts d ’acquisition, de fonctionnement et de maintenance plus eleves. En outre, les carbonates fondus sont extremement corrosifs. Seuls quelques rares materiaux ne sont pas attaques par ces liquides. II convient d ’eviter les interruptions completes de la pile MCFC. En cas d ’arret, il convient de remplir [’installation d azote et elle a besoin de quatre jours pour atteindre de nouveau sa temperature de fonctionnement.

Aux Etats-Unis et au Japon, des moyens publics importants ont ete consacres au developpement de la technique MCFC. En Californie, des projets de demonstration ont ete mis en cavre a La Brae (250 kW), San Diego (250 kW) et Santa Clara (2 MW). Ces projets ont permis de rassembler des experiences precieuses.

Activites en Allemagne L’« European Molten Carbonate Fuell Cell Development Consortium (ARGE MCFC) » a ete fonde des 1990. A ce consortium appartiennent : • mtu Friedrichshafen GmbH, • Elkraft A.m.b.A (DK), une entreprise de distribution d ’energie, • Ruhrgas AG, le plus important fournisseur de gaz naturel allemand, • RWE-Energie AG, une entreprise de distribution d ’electricite allemande.

A la fin de I’an 2000, ce consortium aura investi environ 100 millions d euros dans le developpement de la pile a combustible de type MCFC. En Allemagne, la mtu a mis en service une premiere installation pilote a Dorsten dans I’entreprise Ruhrgas en 1997 et 1998. De nombreux tests ont ete menes sur cette installation. II s’agissait d un tout

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nouveau concept de pile de type MCFC, comportant des piles de cellules horizontales. Les resultats ont ete tres encourageants, ce qui a debouche sur la creation d une installation experimental.

Les principaux acteurs du projet a Bielefeld A cote de Stadtwerke Bielefeld les acteurs principals sont: • mtu-Friedrichshafen est une entreprise du groupe Daimler-Chrysler qui fabrique des moteurs pour les bateaux, les trains, les gros vehicules civils et militaires et aussi les installations de production energetique stationnaires (cogeneration), mtu affiche en 1999 un chiffre d'affaires de 959 millions d'Euro et compte 5 900 employes, • BEB Erdgas und Erdol GmbH et Mobil Erdgas-Erdol sont les fournisseurs de combustible de ['installation de la pile et aussi, a I'origine, de la cogeneration integree sur le site. I Is ont alors pris part a ce projet, comme tout groupe gazier, pour demontrer les performances de ce type innovant de production decentralisee.

L’installation test de Bielefeld L’installation de Bielefeld est la premiere installation client au monde d une pile a haute temperature, ['installation de mtu-Friedrichshafen a ete achetee par les Stadtwerke Bielefeld ainsi que par BEB Erdgas- erdol GmbH et Mobil Erdgas-Erdol GmbH. Elle se trouve sur le campus de I’universite de Bielefeld et fait partie de sa centrale energetique. Depuis les annees 70, les besoins energetiques de I’universite de Bielefeld (qui compte 20 000 etudiants et 1700 employes) sont converts de maniere ecologique et efficace grace a la cogeneration. Le courant produit a I’aide de la pile a combustible et la chaleur industrielle sont injectes dans le reseau d ’approvisionnement de I’universite.

Caracteristiques energetiques: Pile a combustible Universite puissance electrique 250 kW Electricite 7.000 kW puissance thermique 180 kW Chaleur 30.000 kW rendement electrique 52 % vapeur 15 t/h rendement total 76 % temperature de la chaleur 450 °C recuperable

Le debut du projet emonte a 1998. En octobre 1998 a debute la construction du bailment qui devait abriter la pile a combustible (surface au sol de 325 m2, hauteur de 8 m). La pile a ete livree en juillet 1999, testee des octobre 1999 et mise officiellement en fonctionnement en presence de la presse nationale et Internationale le 11 novembre. ['installation a du etre de nouveau eteinte pendant la periode de Noel, mais fonctionne sans interruption depuis fevrier2000.

Le cout de I'installation, que se partagent a parts egales les Stadtwerke Bielefeld et BEB/Mobil, s’eleve au total 1,5 millions d euros (soit 5 000 euros/kW). Ce montant ne tient pas compte du prix du bailment. L’Etat federal et le Land de Rhenanie du Nord-Westphalie ont apporte des subventions de 0,6 et 0,1 millions d euros respectivement. Les travaux de maintenance sont assures par les Stadtwerke, si necessaire via une hotline reliee a la mtu de Friedrichshafen.

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Evaluation et Perspectives

Pendant une premiere phase, ('installation a tout d'abord tres bien fonctionne. La charge electrique nominale n'a pas ete tout a fait atteinte mais il a ete possible d'atteindre le rendement electrique vise de 52 % et un rendement total de 76 %. L'installation rencontre cependant un probleme important : l'arrivee d'air frais dans l'installation est tres irreguliere, ce qui entrarne un gradient de temperature tres eleve dans la pile de 490 a 660 °C. Si l'installation fonctionnait a plein regime, cela provoquerait une surchauffe et donc une oxydation de la cellule. L'installation fonctionne malgre tout sans interruption mais a une puissance sensiblement reduite. Il n'est actuellement possible de fournir qu'une puissance electrique de 128 kW, selon un taux de rendement electrique de 47 %. Ceci confirme cependant le bon fonctionnement electrique de la pile MCFC en charge partielle, mais le rendement thermique est tres bas, environ 20 % (20 kW de chaleur et 35 kW de vapeur).

Un contrat determine que l'installation experimental de Bielefeld fonctionnera encore jusqu'a fin 2001, elle aura alors presque 20 000 heures de fonctionnement et donnera des informations sur le comportement a long terme de ce type d'installation. Des experiences portant sur Amelioration du systeme sont menees en parallele, en cooperation avec l'universite.

Les flans de developpement de la mtu prevoient maintenant la fabrication de cinq autres installations de demonstration, la premiere devant etre integree a un hopital (en Allemagne egalement) avant la fin 2000. Les couts d'investissement doivent retomber progressivement a 2500 - 3 000 euros/kW au cours de cette phase, les developpeurs prevoient une baisse des couts atteignant 1 200 euros/kW pour les contrats commerciaux a partir de 2004, c'est-adire environ deux fois plus cher que des installations de cogeneration conventionnelles. Ceci est lie aux couts relativement eleves de toute la «peripherie » de la centrale, pour laquelle le potentiel d'economies est tres reduit. Les installations doivent etre regroupees en modules pour atteindre une puissance electrique de 3MW mais le chemin est encore long pour y arriver.

Pour aller plus loin

Stadtwerke Bielefeld mtu Friedrichshafen Dr. Ingo KROPKE Gerhard HUPPMANN Schildescher Str. 16 Energietechnik / Neue Technologien DE - 33611 Bielefeld DE - 81663 Munchen Tel : +49 521 51 40 11 Tel : +49 89 607-3 15 32 Fax : +49 521 51 4013 Fax : +49 89 607-3 15 09 Email : [email protected] Email : [email protected]

42 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration | Berlin (DE)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipality europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. La premiere pile a combustible PEFC d’Europe a ete mise en service dans une centrale de chauffage de Berlin en juin 2000. Une exposition en plein air situee a proximite presente cette technologie au public.

Aspects generaux

Berlin, a la fois capitale de la Republique federate d ’Allemagne et Land a part entiere, compte aujourd ’hui environ 3,5 millions d ’habitants. La ville qui est encore en plein processus de renovation est aujourd ’hui le symbole d une croissance commune exemplaire de I’Est et de I’Ouest. Berlin est le siege de nombreuses instances federates et industrielles (en particular dans le domaine de I’electricite). La ville de Berlin situee au bord de la Havel et de la Spree est egalement marquee par ses nombreux musees, ses galeries, ses theatres, son orchestre philharmonique, son opera, ses universites et son jardin botanique et zoologique.

Donnees climatiques : Deg res jours (Base 15°C) : 2 540 Temperature annuelle moyenne : 9,7 °C

CoNTEXTE

Propriety de la Ville jusqu’en 1997 en tant qu’entreprise communale de distribution d ’electricite, la Bewag a ete entierement privatisee en 1997 lors de la liberalisation du marche de I’electricite. Le Senat de Berlin et la Bewag mt continue de travailler en etroite collaboration apres la privatisation de I’entreprise, au travers de nombreux projets s'inscrivant dans le cadre du plan energetique, mais dans un contexts en transition.

La production d ’electricite et de chauffage urbain s’effectue dans onze centrales thermiques, une centrale a condensation, une centrale de cogeneration et sept centrales de chauffage. La Bewag gere a Berlin le systems de chauffage urbain le plus important de I’ouest de I’Europe avec une puissance connectee de 5 164 MW et une longueur du reseau de plus de 1 100 km.

La realisation de programmes d ’economies d ’energie et de protection du climat fait egalement partis du projet d ’entreprise de la Bewag, par example : • programme de subvention « Energie 2000 » (subvention d ’installations photovoltai ques, participation des citoyens aune installation photovoltai que et pompes achaleur), • installation photovoltai que de 1kWp gratuite pour les ecoles (en cooperation avec le Senat de Berlin), • creation de son propre centre de conseil en energies renouvelables, • offre de divers services tels que le contracting (tiers financement) pour les economies d ’energie.

43 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Experience de Berlin

Type de pile a combustible La pile a combustible presentee dans cette etude est une pile a membrane polymere echangeuse de protons (PEFC), egalement appelee pile PEM. Pour ce qui concerne son fonctionnement, on peut consulter sa description dans la fiche de cas de Ludwigshafen. La pile a combustible PEFC installee a Berlin a ete developpee par I’entreprise canadienne Ballard, consideree com me le leader mondial dans ce domaine. C’est la societe Alstom Energietechnik GmbH qui assure la production et la mise sur le marche de cette technology en Europe.

Contrairement a la centrale domestique de Ludwigshafen (puissance electrique de 1,3 kW), il s’agit ici d ’une installation ayant une puissance electrique de 250 kW destinee a la cogeneration. Les differentes parties de installation : le reformeur de gaz, la pile a combustible et le systeme electronique de controle correspondant sont livres sous forme d'un package, pret a fonctionner, dans un conteneur (dimensions 7,4 m * 2,4 m * 2,7 m). Donnees techniques de la cellule :

Puissance electrique 250 kW Puissance thermique 230 kW Rendement electrique 35 % Rendement total 80 % Temperature de I’eau 75 °C chaude

Les principaux acteurs du projet a Berlin Bewag est le commanditaire du projet en partenariat avec des compagnies electriques qui sont, les Hamburgische Electricitats-Werke AG, EOF, la societe PreussenElektra AG et les VEAG Vereinigte Energiewerke AG. Bewag est une entreprise productrice et fournisseuse de chaleur et d'electricite. Elle alimente 1.8 millions de foyers en electricite basse tension et 3000 en moyenne-haute tension. Au niveau de sa production de chaleur, elle a un pare de 5000 MW et couvre 30 % du marche berlinois. Cette entreprise est en effet largement ancree a Berlin.

En 1998 la societe Alstom-Ballard a ete creee. Ballard Generation System et Alstom ont en effet invest! 25 millions d'Euro dans la creation de cette nouvelle societe chargee en Europe de fabriquer, de commercialiser et de distribuer des unites fixes de production d'energie apartir de pile a combustible. Cette creation donne suite a I'acquisition par Alstom de 20% du capital de Ballard Generation System specialise Refroidissement

Humidiflcateur depuis 1983 dans la technologie PEMFC (210 brevets ont ete deposes). Le siege d'Alstom- Controle-commande Ballard est base a Dresden.

L’installation de test a Berlin L’installation est le fruit d ’un projet commun conclu en 1998 entre la Bewag et ses partenaires. Elle est integree a la centrale de chauffage Treptow de Berlin. Cette centrale, grace a ses deux chaudieres a vapeur et a sa chaudiere a eau chaude, permet d ’alimenter un Compartiment electrique reseau de chauffage urbain d ’environ 25 MW.

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La pile a combustible est integree au systeme existant via un bypass "en parallels". La pile est parcourue par de I’eau de refroidissement dans un circuit primal re. Grace a une pompe a chaleur, la chaleur degagee par la pile est dirigee vers le reseau de chauffage urbain connects. L’eau de retour du reseau de chauffage se rechauffe ainsi d ’environ 10°C. Le faible niveau de temperature de retour tout au long de I’annee permet d ’exploiter entierement la chaleur degagee par la pile a combustible.

La puissance electrique de la pile peut atteindre jusqu’a250 kW. Elle suffit a couvrir presque I’ensemble des besoins propres de la centrals de chauffage. De I’electricite est necessaire pour couvrir les besoins de pompage et de circulation de I’eau de chauffage, pour alimenter les bruleurs en air neuf et assurer le fonctionnement de la centrals. Void les caracteristiques energetiques de la centrals de Treptow :

Besoins propres en electricity 200 kW Puissance thermique 43 MW Puissance thermique connectee 25 MW

L’installation a passe avec succes le controls mens dans le cadre de la loi federate allemande de protection centre les emissions. L’examen a principalement consists en un controls technique. Les tests ont ete a la fois menes selon la nouvelle directive europeenne relative aux equipements fonctionnant sous pression et selon la directive canadienne. L’objectif etait de tester dans ce cadre autant de fonctions que possible, puisqu’elles seraient ensuite necessaires pour la production en serie.

L’installation doit fonctionner cinq ans au total. Cette periods devra permettre de recueillir des donnees sur la duree d ’utilisation, la charge de maintenance et autres caracteristiques de fonctionnement importantes. Toutes les caracteristiques du systeme seront testees dans le cadre d un programme de mesure global. Les parametres du systeme seront en outre enregistres et analyses. La phase de monitoring durera environ douze mois.

Le programme de mesure a mis I’accent sur: • la preuve de la securite de fonctionnement, • la preuve d'un rendement annonce (35 a40 %), • le comportement en charge partielle, • le rendement des differents composants tels que le reformeur, la pile et I’inverseur, • le vieillissement et la perte de tension, • la determination de la degradation theorique apres 40 000 heures, • la preuve de la securite de fonctionnement a long terms de la pile et de [’installation.

Exposition « Parc des innovations : la pile a combustible » Une exposition en plein air intitules «Parc des innovations : la pile a combustible» s’est ouverte conjointement a la miss en service de installation a Berlin-Treptow. Dans une zone converts, douze entreprises (entre autres tous les leaders europeens en matiere de piles a combustible) et des institutions issues de differents secteurs de leconomie et de la recherche ont presents des informations et divers modeles. L’« Internet-Point » permet egalement aux visiteurs de consulter en ligne des informations sur tous les aspects de l economie de I hydrogens et de la technologie de la pile a combustible, ainsi que sur le projet de demonstration, alors que le guichet d information leur offre la possibility d ’avoir une discussion plus personnels. De nombreux panneaux explicatifs en plein air competent cette exposition (ouverte 7 jours sur 7).

L’objectif de cette presentation n est pas d ’entrer dans les details mais d ’offrir une premiere vue d ’ensemble. II est pour le moment prevu d ’ouvrir le pare des innovations pendant trois ans. La Bewag a fourni un budget total d ’un million d ’euros pour le pare.

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Sans aller voir la presentation sur place, II est egalement possible d ’effectuer une visite virtuelle du pare des innovations. Sa presentation tres claire sur Internet est disponible en version allemande et anglaise. (www.innovation-brennstoffzelle.de)

Outre la pile a combustible, la Bewag dispose egalement d une installation photovoltai que de 10 kW et d un electrolyseur de meme puissance. On utilise done I'electricite sola! re pour prod u I re de I’hydrogene a partir de I’eau. Get hydrogene est ensuite utilise par la pile a combustible, qui rejette de I’eau. Le cycle de I’hydrogene se referme ainsi et demontre qu’il est possible d ’utiliser de I’hydrogene obtenu proprement pour prod u I re de I’energie. L’electrolyseur couvre 2% du besoin en hydrogene de la pile a combustible.

Evaluation et Perspectives

Les couts du projet, incluant la planification et le programme de mesure, s’elevent a 3,8 millions d ’euros au total. Le projet a ete finance a environ 40 % par les subventions de la Communaute europeenne dans le cadre du programme «Thermie ». 10% des couts ont ete pris en charge par Alstom, les partenaires du projet ont fourni 250 000 euros chacun, et le reste a ete finance par la Bewag.

Ce projet est le premier d une serie de projets pilotes de cette unite de pile a combustible. Trois autres installations sont prevues pour la periods 2000/2001 : • Elektra Birsek Munchenstein (OH) a proximite de Bale, depuis septembre 2000 pour un fonctionnement experimental, • Societe Cooperative Liegeoise d'Electricite a Liege (BE), mise en service en 2001, • Energie Nord West EV, Amsterdam (NL), en cours de projet.

La premiere phase de fonctionnement de la pile a combustible a Berlin est jusqu’a present satisfaisante. La puissance electrique qui a pu etre ateinte est de 212 kW, la Bewag suppose que la puissance nominale de 250 kW sera atteinte dans le cadre du projet de demonstration. L’interet que suscite le Parc des innovations chez les visiteurs isoles comme chez les groupes est egalement tres prometteur.

Pour aller plus loin

Bewag Martin POKOJSKI Puschkin Allee DE -12435 Berlin Tel : +49 30 267 10 403 Fax : +49 30 267 14 106 Email : [email protected] Http: www.innovation-brennstoffzelle.de

46 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration | Chelles (FR)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. En fevrier 2000 EDF et Gaz de France ont mis en service a Chelles, en Seine-et-Mame, la premiere experimentation d'une pile acombustible hors laboratoire en France.

Aspects generaux

Chelles en Seine-et-Marne fait avec une population de 45 0000 habitants partie integrants de ['agglomeration parisienne. Siege d'une importante abbaye royale de femmes, fondee au 6eme par ste Clotilde, rebatie au 7eme par ste Bathilde, femme de Clovis II, supprimee en 1790 et demolie en 1793. Pendant cinq siecles, les abbesses furent presque toutes de sang royal. Victor Hugo y a sejourne et compose plusieurs poemes.

Donnees climatiques : Degres jours (18°C) 2 652 Temperature annuelle moyenne : 11,4 °C

CoNTEXTE

Depuis quelques annees deja EDF observe le developpement de la pile a combustible attentivement. Apres I'hegemonie des productions centralists, et avec la liberalisation des marches energetiques qDparaissent de nouvelles manieres decentralisees de prod u I re I'energie. Farm! les technologies les plus promettant se trouve selon EDF la pile a combustible. C'est la raison pourquoi EDF collabore avec de grands organismes de recherche internationaux (Electric Power Research Institute, Etats-Unis) et des acteurs majeurs dans le domaine des piles acombustible et participe ades programmes de recherche europeens.

Farm! les actions de recherche et developpement, on peut citer la participation d'EDF a un projet de developpement de nouvelles membranes haute temperature pour les piles PEMFC dans le cadre du reseau de recherche technologique frangais. Avec ce meme reseau, EDF mene un projet de developpement de nouveaux materiaux pour piles SOFC (piles a oxyde solide) afin d'en reduire la temperature de fonctionnement a environ 750°C. Du cote des demonstrations, outre ['operation de Chelles decrit ci-apres, EDF participe a une operation pilote d'un pile PEMFC d'une puissance de 250 kW electriques a Berlin (voir fiche). Une pile de type va etre implanter en 2001 aForbach, en Lorraine par EDF et Gaz de France.

Gaz de France, de son cote, s'implique dans le developpement des piles a combustible en tant que fournisseur de gaz nature! pour la production d'electricite mais egalement en tant que concepteur et exploitant d'installations thermiques. C'est la un prolongement de son engagement dans la cogeneration depuis une dizaine d'annees. Les equipes de Gaz de France ont mis en place, en 1996, un laboratoire ouvert aux fabricants de piles pour etudier leurs performances sur une large gamme de gaz et de melanges.

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Experience de chelles

La pile a combustible type PAFC La premiere pile a combustible presentee en 1842 par Sir William Grove fonctionnait avec un electrolyte acide. Le conducteur d ’ions le plus couramment utilise est I’acide phosphorique en solution aqueuse. On appelle les piles de ce type des "Phosphoric Acid Fuel Cells" (PAFC). Ces piles fonctionnent en general sous pression, a une temperature d ’environ 200°C. Une PAFC ne peut convertir que de I’hydrogene. Les dispositifs de reformation chimique des combustibles (gaz naturel, biogaz, gaz de houille, propane, etc.) constituent done une partie importante d une installation PAFC.

La PAFC est la premiere pile a combustible commercialisee a un prix raisonnable par le fabricant americain ONSI. Le systeme propose (PC25C) est techniquement au point et est deja produit en petite serie. Le tableau suivant indiquera les caracteristiques techniques de la pile ONSI PC25C :

Donnees techniques Puissance electrique 200 kW Puissance thermique 215 kW Puissance calorique 490 kW Rendement electrique 40 % Rendement qlobal 85 % Temperature de la chaleur 85-95 °C recuperable

Dimensions Lonqueur 5,5 m Largeur 3 m Hauteur 3 m

Le site pilote de Chelles en Seine-et-Marne Guand EOF et Gaz de France ont lance leur premier projet de demonstration et d'experimentations d'une pile a combustible en France I Is ont voulu I'installer dans une ville disposant un reseau de chauffage urbain. C’est pourquoi EOF et GDF ont propose le projet ala ville de Chelles, qui tres interessee par le projet, a mis adisposition le terrain et s’est associee ala communication sur le projet.

Le quartier de Chelles ou est installee la pile dispose des atouts indispensables a implantation d ’une pile a combustible : une densite importante au niveau de I’habitat avec des besoin locaux en electricite et en chaleur. D’autre part I'existence d'un reseau de chaleur urbain facilitait installation de la pile et la valorisation de la chaleur qu'elle produit. Deja en 1987 un projet innovant avait ete realise a Chelles avec la mise en service d'un reseau de chaleur partiellement alimente par I'energie geothermique. La centrale thermique de 23 IWV (fioul lourd et gaz) est situee a cote du puits geothermique et I'energie geothermique recuperee s'eleve a 30.000 MWh/an sur une vente de chaleur de 45.000 MWh. Au total 3.800 logements sont connectes au reseau. L’electricite (200 kW) et la chaleur (200 kW) produites par installation sont injectes dans les reseaux d'electricite et de chaleur de Chelles. Cela correspond grossierement a un 200 equivalent-logements du point de vue electricite et 100 logements du point de vue chaleur.

Le quartier presentait egalement la caracteristique d'etre tres peu bruyant, en particular la nuit ; de ce fait les qualites de silence de la pile peuvent y etre mises en evidence.

En ce qui concerne les conditions d'installation, la pile est raccordee au reseau de gaz naturel existant (4 bar), par I'intermediaire d'un poste de detente 4 bar/ 20 mbar. La pile est connectee en basse tension apartir du transformateur HT/BT desservant les habitations proches. L’energie thermique est recuperee au moyen de I'echangeur integre au module de production de la pile. La pile necessite egalement un raccordement en eau (eau de ville), et utilise de I'azote lors des operations de demarrage et d'arret; I'azote est approvisionne apartir de bouteilles.

48 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

La conception du module de production est telle qu'il peut etre installe directement en exterieur. A Chelles, un batiment a ete realise afin de mieux integrer visuellement I'ensemble des equipements de la pile dans son environnement. ['architecture du batiment a ete definie en collaboration a/ec la mairie de Chelles. Le batiment a egalement fait I'objet d'une etude acoustique complete.

Un systeme de telesurveillance re lie a un poste de controle fonctionne 24 heures sur 24. Seule les operateurs de maintenance necessitent la presence de personnel qualifie pour intervenir sur I’installation.

Communication sur le projet EOF et GDF ont presente debut 1998, le projet d'installation de la pile a combustible a Chelles dans le journal municipal . Les principes de fonctionnement d'une pile, les objectifs du projet et I'interet porte par EOF et GDF sur les piles a combustible ont ete expliques aux Chellois.

Afin de convaincre les habitants - qui s'interrogeaient devant I'arrivee d'une technologie qui leur etait inconnue - de I’utilite de pile a combustible une reunion publique ouverte aux habitants des quartiers avoisinants la pile a ete organisee en afin 1998. Plus de deux cents Chellois ont repondu presents. Lors de cette reunion, des responsables d'EDF et Gaz de France, des exploitants suisses utilisant une pile a combustible depuis 5 ans, ont presente la pile a combustible et ont repondu aux questions posees par les habitants.

Enfin une visite a ete organisee par EOF et Gaz de France a Hamburg en Allemagne en septembre 1998, afin qu’une trentaine de Chellois (elu de la majorite et de opposition, representants dissociations de protection d ’environnement, des parents d ’eleves, etc.) puissent decouvrir «de visu» une pile en fonctionnement. Ces representants ont notamment pu discuter avec des riverains, qui habitaient aquelques metres de la pile.

Si certains representants etaient restes inquiets apres la reunion publique (taille de I’installation, crainte de nuisances sonores, securite, etc.) les discussions avec les beneficiaires allemands de cette nouvelles technologie, les ont rassures. Les representants ont donne un avis favorable a I’operation de demonstration de la pile aChelles a Tissue de la visite.

Les couts de I'installation Concernant la pile elle-meme, le module de production est fabrique en pre-serie aux Etats- Unis par ONSI Corporation et importe en France par la societe italienne CLC (groupe Ansaldo). La pile a done du etre adaptee et modifiee pour une utilisation en France. Ceci concerne notamment la certification d'appareils apression par I'administration (la DRIRE), ce qui a occasionne des surcouts.

L'achat de la pille a ete finance par les centre de recherche des Groupe EOF et Gaz de France auxquels s'est associee I'ADEME. Le montant total s'eleve de 800.000 a 900.000 Euros, dont 500.000 Euros pour la pile meme (2.500 Euros/kW), 150.000 Euros pour ['adaptions aux normes frangaises et 100.000 Euros pour le batiment et des travaux peripheriques.

Evaluation et Perspectives

Fin septembre 2000, la pile cumulait 3.200 heures de fonctionnement et avait produit 500 MWh electriques. L'objectif d'EDF est d'arriver a 8000 heures de fonctionnement par an et d'environ 1.600 MWh de chaleur delivree. Les emissions mesurees sont pour le gaz : 0 mg/kWh PCI pour le CO et 4 mg/kWh PCI pour les NOx.

49 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

La pile PAFC est la pile a combustible la plus evoluee. Le systeme propose par ONSI (PC25C) est techniquement au point et donnera les resultats escomptes a Chelles. Plus de 200 installations fonctionnent deja a travers le monde. Elles sont fiables, offrent une disponibilite inegalee par les petites centrales conventionnelles et tiennent bien leurs promesses en matiere de performances. Dans les villes allemandes de Halle et de Nurnberg, la chaleur degagee (95°C) permet de faire fonctionner une pompe a dosorption pendant les mois d'ete. Les installations fournissent donc electricite, chauffage et climatisation a des batiments administratifs, ce qui assure un taux d'exploitation eleve de la pile a combustible tout au long de l'annee. Une installation ONSI a Cologne (Allemagne) fonctionne avec succes avec du gaz d'epuration, une autre a Hambourg avec de l'hydrogene pur. Les couts "systeme" eleves entravent cependant encore la commercialisation de cette pile.

EDF et Gaz de France vont encore renforcer leur engagement pour la pile a combustible. Associe a EnBW, electricien allemand, EDF et GdF ainsi qu'a Tiwag, electricien autrichien et le fabriquant Siemens- Westinghouse vont construire une pile SOFC de 1 MWe couplee a des micro-turbines. Ce projet de demonstration important a obtenu le soutien de la Commission europeenne et du DOE (Department of Energy, USA). La pile serait mise en service fin 2002.

Gaz de France souhaite posseder la maitrise complete des phases d'installation, d'exploitation et de maintenance d'un projet de pile a combustible. S'attachant notamment a caracteriser les piles selon leurs rendements energetiques, leurs couts de maintenance, leurs conditions d'exploitation et la qualite de l'energie fournie, le groupe gazier pourrait bien etre un acteur important du developpement de la technologie des piles a combustible en France.

Pour aller plus loin

EDF Andre MARQUET 1 avenue du General De Gaulle FR-92141 CLAMART CEDEX Tel : 01 47 65 32 70 Fax : Email : [email protected]

50 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration | Frankfurt (DE)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion dbs nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. Si vous vous interessez a ces technologies, le mieux est de visiter Frankfurt ou vous trouverez plusieurs installations experimentales : des moteurs de micro-cogeneration, une pile a combustible (200 kWe), un moteur couple aun refrigerateur aabsorption ainsi qu’un moteur Stirling.

Aspects generaux

La Vi lie de Frankfurt (640.000 habitants) fut batie au 8e siecle sur ['emplacement d'un ancien camp remain au bord du Main. Celebre deja au Moyen- Age par ses foires, Frankfurt est devenue une metro pole commerciale et financiers (premiere Bourse d ’Allemagne, siege de la Banque centrale europeenne). Monuments anciens (Romerberg, cathedrals, eglises gothiques, maison natale de Goethe) et gratte-ciel des grandes banques donnent a la ville un visage tres contrasts. C’est la chimie qui demine le secteur industrial.

Donnees climatiques : Degres jours : 3 269 Temperature annuelle moyenne : 10,7 °C

CoNTEXTE

La cogeneration decentralises a commence a s’etendre au debut des annees 90 a Frankfurt. A la suite des decisions prises par le Conseil communal en vue de developper la cogeneration, I'Energiereferat (Agence de I’Energie) a commence a definir de maniere systematique les potentiels existant en dehors des zones de chauffage urbain. Plus de 40 centrales de cogeneration, ayant une puissance electrique totals superieure a 20 000 kW, ont ete creees avant fin 2000. Le large spectre de puissances que couvrent ces centrales, de 5 kW, en passant par 50, 100, 500 et 1 000 kW, jusqu’a plus de 3 000 kW, est particulierement impressionnant. II convient egalement de remarquer le grand nombre d ’exploitants de ces installations, en partis les proprietaires immobiliers eux-memes (des hopitaux, des banques par example), la Ville de Frankfurt, ou encore des entreprises de contracting (par example hessenENERGIE, voir la fiche de Hessen).

Le fait que Frankfurt soit devenu un centre de la cogeneration et des technologies innovantes qui s’y rattachent peut etre impute a ['engagement de I'Energiereferat, mais aussi a celui du fournisseur d ’energie communal, Mainova AG. A la suite d une decision du Conseil communal en 1992, les Stadtwerke Frankfurt (qui ont entre temps fusionne avec un autre fournisseur local d ’electricite pour former Mainova AG que nous venons de citer) ont decide de racheter I’electricite issue de la cogeneration injectee dans le reseau a un prix depassant les tarifs en vigueur. Mainova a egalement accords aux petites installations allant jusqu’a 30 kWe une subvention de 1 500 a 2 500 euros. L’entreprise de distribution d ’electricite administre elle-meme plusieurs centrales de cogeneration, aussi bien en tant que proprietaire que contractant. Ces installations comptent egalement un moteur Stirling.

51 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Experience de Frankfurt

Le moteur Stirling Le principe du moteur Stirling, decouvert des le XIXs siecle, suscite actuellement I’interet et est de nouveau developpe car II presente des caracteristiques interessantes en mat!ere de production decentralisee d ’energie. Ses chambres de travail fermees, contra!rement aux moteurs Diesel ou Otto, et I’apport de chaleur externe le rendent independant du type de source de chaleur choisi. II est possible d ’utiliser des energies fossiles comme le fuel ou le gaz, mais aussi des energies renouvelables telles que le soleil ou la biomasse. Les residus de la combustion ne penetrent pas a I’interieur du moteur, ce qui limite I’usure et permet d ’espacer les operations de maintenance.

La societe SOLO Kleinmotoren GmbH de Sindelfingen se consacre depuis 1990 a la technologie Stirling. Bile est aujourd ’hui consideree comme pionniere dans le domaine en Allemagne. La premiere etape a ete la construction de trois moteurs de 9 kW, version solaire, pour installation experimental «Distal » de la « Plataforma Solar » a Almeria en Espagne. La societe a pour cela acquis aupres de I’entreprise suedoise SBP la licence de la machine Stirling la plus developpee en terme de cLiree de vie et de fiabilite, la SPS V160, et a conclu un contrat d ’utilisation.

La societe travaille depuis 1993 a un nouveau modele, le Stirling 161, qui doit etre produit en serie a partir de 2002. Son predecesseur a ete entierement repense. Les nouvelles machines construites depuis 1996 sont soumises a des tests in situ afin d ’amener la technique prometteuse du moteur Stirling a maturite et de lui conferer une fiabilite maximale. Au sein d un projet soutenu par la «Deutsche Bundesstiftung Umwelt » (Fondation allemande pour I’environnement), ce sont au total 20 modules Stirling au gaz naturel qui fonctionnent dans des conditions reelles sur differents sites allemands. Ces tests prendront fin en 2001.

(-’installation experimental de Frankfurt L’installation de Frankfurt fait partie de ces 20 installations experimental. Mainova AG I’a integree en 1999 a sa station de regulation de la pression du gaz. Pour eviter la condensation lors de ['expansion du gaz, le gaz naturel doit etre maintenu toute I’annee a une temperature minimale de 15°C, ce qui constitue des conditions de fonctionnement ideales pour des installations de cogeneration. Avant de decider de participer aux tests in situ des installations SOLO, Mainova AG s’etait interessee au marche mondial tres reduit des moteurs Stirling et avait estime que I’installation SOLO etait le modele le plus proche de la commercialisation. Les conditions-cadres sont cedes assez mauvaises actuellement pour les centrales de cogeneration (prix assez eleve du gaz, prix de I’electricite en baisse), mais Mainova pense que les perspectives d ’avenir du moteur Stirling sont tres bonnes et emit en son potentiel. Les resultats en terme d ’image (entreprise de services engages en faveur de ['innovation et de la protection du climat) ont egalement joue un role important lors de la prise de decision en faveur de cette installation. Un prototype a fonctionne sans panne pendant plus de 5000 heures et un module de la preserie fonctionne maintenant depuis octobre 2000. Le tableau suivant resume les donnees techniques :

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Donnees techniques Puissance electrique 4-9 kW Puissance thermique 12-25 kW Rendement electrique 24 % Rendement thermique 65-75" % Rendement total 87-95 % Consommation de gaz 37 KW (pleine charge) Dimensions lonqueur 1,28 m largeur 0,70 m hauteur 0,98 m

Evaluation et Perspectives

Le nouveau moteur Stirling fonctionne lui aussi sans panne et avec de faibles besoins en maintenance a Frankfurt, a la grande satisfaction du responsable du projet chez Mainova. Les conditions-cadres de fonctionnement commercial d une centrale de cogeneration Stirling 161 sont les suivantes depuis debut 2001 a Frankfurt : investissement total d ’environ 20 000 euros (16 000 consacres au moteur et 4000 euros aux modules secondaires et a [’integration technique), un prix du gaz de 0,025 euros/kWh (['exoneration d ’ecotaxe a ete prise en compte) ainsi que des couts de maintenance de 0,02 euros/kWh. La production de chaleur est consideree comme un credit auquel est applique un prix correspondent a celui du chauffage urbain. Pour pouvoir faire fonctionner [’installation de maniere economique, le prix de I’electricite substitute par celle-ci doit etre d ’au moins 0,08 euros/kWh, ce qui n est actuellement le cas que pour les menages. Une etude de I'Energiereferat montre que les couts d ’investissement lies au moteur Stirling sont environ deux fois plus eleves que ceux d un moteur de cogeneration de meme taille, mais II severe nettement plus economique en terme d ’entretien (0,02 euros/kWh au lieu de 0,028). II est possible d ’espacer les maintenances de 5 000 heures de plus que pour les moteurs Otto. Les intervenes peuvent ainsi etre similaires a ceux des installations de chauffage. Pour les moteurs Stirling, on attend un recul des prix de la maintenance a0,01 euros/kWh une fois qu’aura commence la production en serie. On suppose chez Mainova que les conditions economiques evolueront a I'avenir de maniere positive. La regulation des quotas prevue par le gouvernement federal en mat!ere d ’electricite issue de la cogeneration et injectee dans le reseau ainsi que la hausse des prix de I’electricite amelioreront I’amortissement du materiel.

Les bruleurs Stirling actuels peuvent avoir des emissions de polluants au moins 10 fois inferieures acelles des moteurs Otto a gaz equipes de catalyseurs, les valeurs constatees correspondant a celles des technologies modernes agaz de condensation.

Moteurs Stirling fonctionnant a I’energie solaire et ala biomasse Les trois installations solaires de la Plataforma Solar de Aimer!a en Espagne ont commence a fonctionner en 1992. Depuis 1997, six systemes fonctionnent egalement avec la version solaire du Stirling 161, elles cumulent avec les trois anciennes installations environ 40 000 heures de fonctionnement. Des installations utilisant le nouveau type de systeme sont egalement utilisees aux Etats-Unis et en Turquie. Une nouvelle generation de systemes Dish- Stirling 10kWei est actuellement construite dans le cadre d un projet soutenu par I’Union europeenne. L’objectif de ce projet est de ramener les couts d ’investissement a5 000 euros/kW.4

4 Selon la temperature de systeme de chauffage

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['utilisation directe de combustibles solides, de preference du bois, par les installations Stirling decentralisees reste une solution aussi interessante que difficile a mettre en cavre. En collaboration avec une ecole superieure specialisee et un fabriquant d ’installations de combustion de biomasse, SOLO travaille a des technologies de precedes industriels. Des essais ont ete entrepris au cours de fete 1998 sur un prototype de gazeificateur de bois integre. La combinaison gazeificateur-Stirling pourrait s’averer interessante en raison de la grande tolerance du bruleur en mat!ere de qualite du gaz et du bon taux de rendement ala conversion. Les premiers resultats des projets biomasse-Stirling sont attendus pour 2002.

Etapes vers la commercialisation par la societe SOLO Les 20 installations experimental ont jusqu’a maintenant cumule pres de 150 000 heures de fonctionnement, soit plus de 20 000 heures par moteur. II a ete demontre que des peri odes de 6500 heures sans entretien sont aujourd’ hui envisageables et que d ’autres ameliorations suivront. SOLO lancera en 2001 une preserie de 40 centrales de cogeneration Stirling. Afin de mettre sur pied les systemes de commercialisation et de maintenance, elles doivent etre vendues a des clients choisis (principalement des fournisseurs d ’energie).

Dans le cadre de ce test, toutes les donnees des operations actuelles des machines sont suivies et analysees a I’aide d un systeme de surveillance a distance. La production en serie qui doit debuter en 2002 se basera sur I’analyse de ces informations. Des partenaires qualifies (centres de competences) doivent permettre de creer un reseau de vente et de services apres-vente en Allemagne federate. Mais des installations seront egalement vendues a I’etranger. La premiere installation fonctionne deja a Goteborg ou elle est suivie sur le plan scientifique par I’universite de Lund.

Pour aller plus loin

Mainova AG SOLO Kleinmotoren GmbH Herr Ruch Andreas Baumuller Solmstrasse 38 PF 60 01 52 DE - 60623 Frankfurt DE - 71050 Sindelfingen Tel : +49 69 7911 26 01 Tel : +49 7031 301 0 Fax: +49 69 7911 11 22 Fax : +49 7031 301 202 Email : [email protected] Email : [email protected] Http ://www.mainova.de Http ://www.stirling-engine.de

54 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration Land Hessen (DE)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine agaz. Depuis sa creation fin 1991 hessen ENERGIE (I’Agence du Land de Hesse) mene une politique de promotion et d’incitation en faveur de la petite cogeneration. C’est grace a son soutien que les moteurs d’une puissance electrique inferieure a 15 kW ont su penetrer le marche.

Aspects generaux

Le Land de Hessen (55,8 millions d ’habitants) s’etend entre le massif schisteux rhenan et le Thtiringer Wald et les vallees du Diemel et du Neckar. Hessen est un de plus riches Lander en Allemagne grace a son industrialisation. Meme si Wiesbaden est la capitals, Frankfurt (ville des banques, de I’industrie chimique, universitaire) est historiquement la ville la plus importante. C’est en Hessen que les Verts on! participe pour la premiere fois au gouvernement d un Land.

Donnees climatiques (Frankfurt) : Degresjours : 3 269 Temperature annuelle moyenne : 10,7 °C

CONTEXTE

La "hessenENERGIE" est une entreprise chargee de toutes les taches inherentes a un consultant et a une agence dans le domaine de la maTtrise de I'energie et des energies renouvelables. Elle a ete fondee par le Land de Hesse en cooperation avec plusieurs autres partenaires afin de promouvoir la politique d ’economie d'energie menee par le gouvernement regional. Cette agence se concentre surtout sur les collectivites locales auxquelles elle propose differents modeles de "contracting" (tiers financement) et de participation des citoyens. Outre la production combinee chaleur-electricite et I'exploitation des energies renouvelables, les systemes d'exploitation efficace de I'electricite constituent egalement un champ d'activite important de I'agence. Depuis huit ans, I’Agence Regionale de Hessen mene une politique tres offensive pour promouvoir [’introduction de la cogeneration sur le marche. Ses activites comprennent, entre autres : • elaboration de brochures et de fiches-projets, organisation de conferences, • organisation de visites (Hessen Energie Tours), • conseil aux municipalites, • serie d ’essais pilotes pour les centrales de petite cogeneration (5,5 kWe, 12,5 kWe et 20,5 kWe), • projet de "cogeneration standardisee".

La presente fiche vise a presenter la serie de projets pilotes realises avec des installations de petite cogeneration de 5,5 kWe. Des la fin de I’annee 1987, I'entreprise Fichtel & Sachs SA (F&S) a commence a fabriquer de petites installations de cogeneration compactes, pretes a [’exploitation, disposant d'une puissance electrique de 5 kW, d'une puissance thermique de 13,5 kW. Les travaux de recherche ont ete subventionnes par le Land de Hesse a hauteur de 1,75 millions euros. Vu les resultats positifs de I'etude de terrain presentee ci-apres, la societe F&S a decide de commercialiser ce type d ’equipement en se tournant vers la production en serie. En janvier 1997, c’est-adire dix ans plus tard, SenerTec S.A.R.L., societe dont F&S detient 20% du capital, commence a proposer ces modules sur le marche. Environ 3 000 unites avaient ainsi ete fabriquees debut 2000.

55 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Experience de land hessen

Conjointement avec trois compagnies energetiques hessoises et la F&S, le Land de Hesse a decide debut 1993 la realisation d une etude de terrain (subventionnee par le Land ainsi que par les compagnies energetiques a hauteur de 220 000 euros chacun).

La Ville de Francfort (cinq installations, voir egalement le rapport final "Diagnostic de la petite cogeneration municipale", ADEME 1999) et la hessenENERGIE (15 installations) ont ete selectionnees en tant qu’utilisateurs pour participer a cette etude. Elies ont achete les modules pour les integrer au cours de I’annee 1993/1994 dans plusieurs types immeubles. La Ville de Francfort les a affectes exclusivement a I’equipement de locaux municipaux tels que les creches, les centres d'accueil, les ecoles, etc. La hessenENERGIE les a installes dans des chaufferies appartenant adivers proprietaires.

L‘etude de terrain Afin de determiner I’emplacement de ces 15 installations, II s'est avere necessaire d'investiguer un total de 24 sites. Les 15 modules ont ete integres dans 11 immeubles dont quatre ont ete equipes d'installations a deux unites. Les sites retenus sont des immeubles d'habitation mais egalement un petit reseau de chaleur alimentant un quartier de 41 unites de logement, des hotels, des restaurants et autres etablissements similaires relies a des terrains de sport ou encore des bailments de type industriel et administratif.

Les modules ont ete integres, avec le soutien de la F&S, par une entreprise specialises dans les installations de gaz et d ’electricite. Alors que I'entreprise chargee de ['installation ne disposal! que de tres peu d'experience dans le domaine de la cogeneration, quatre semaines environ ont pourtant suffi pour [’installation et la mise en service des 13 modules. Grace a la bonne preparation des travaux, les temps d'arret des centrales de chauffage ont pu etre limites dans la plupart des cas aquelques heures seulement.

La hessenENERGIE a passe des accords avec les proprietaires d ’immeubles afin de rend re la production de chaleur par cogeneration plus interessante par rapport a I'auto-production de chaleur de chauffage dans les chaudieres existantes.

Au cours des trois annees pendant lesquelles I'etude de terrain a ete menee, la "simulation" de prix et de couts proches de la realite a permis d'etudier non seulement les aspects d ’ordre technique mais egalement les conditions economiques necessaires a la future commercialisation de ces modules. Cette etude a en outre permis de developper divers concepts de gestion des petites centrales de cogeneration. Dans ce contexts, il s’agissait notamment de determiner les conditions optimales dans lesquelles des installations gerees par des tiers pourraient se preter au chauffage des immeubles selectionnes.

Cette etude de terrain a en outre ete realises afin d ’effectuer des experiences pratiques dans les domaines suivants : • la mise en evidence de la securite de ['exploitation des installations parallelement au reseau public des compagnies energetiques conformement aux conditions techniques de raccordement en vigueur, • [’exploitation des modules dans differentes conditions, differents intervalles d ’entretien et differentes duress de vie des composants, • les opportunity qui s’ouvrent au niveau local pour I'artisanat et les petites entreprises dans le cadre de ['installation et de [’exploitation des modules (transfer! de savoir-faire), • la rentabilite des installations selon diverses structures de demands et differents modes d'exploitation de chaleur et d'electricite, • la mesure des emissions.

56 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Les res u I tats L'etude de terrain a pris fin officiellement fin decembre 1996. Les trois annees d ’exploitation des installations ont permis d'obtenir les resultats suivants : • en moyenne, les modules exploites par la hessenENERGIE ont atteint pres de 7.000 heures de fonctionnement en pleine charge par an. II a ete possible d'atteindre, voire de cbpasser les durees de fonctionnement annuelles necessaires a une exploitation economique des modules. Ce tres haut niveau est notamment du au fait que les installations n'ont pas seulement couvert la demands de base pour le chauffage des locaux mais qu’elles ont egalement ete utilisees pour une partie de la production d'eau chaude sanitaire. Deux 10000 immeubles d'habitation de moindre taille ont ete integres 8000 - n moyenne adessein dans cette etude de terrain afin d'analyser le 6000 ------niveau minimum d'exploitation pour lequel le fonctionnement peut encore etre considers comme rentable et done de determiner si les demurrages frequents peuvent etre a I'origine de problemes techniques, • les standards fixes par la prescription technique allemande regissant la qualite de I'air (norms allemande relative aux emissions) ont ete largement respectes et les emissions sont restees nettement en degades niveaux fixes. En ce qui concerns les emissions d'oxyde d'azote, les normes en vigueur dans le Land de Hesse n’ont cedes pas toujours ete respectees (la moitie des seuils fixes par la prescription technique allemande regissant la qualite de I’air) mais ces valeurs ne sont plus depassees aujourd’ hui dans le cadre de la production en serie, • rendement electrique des installations : 24,6 % • rendement thermique des installations : 62,3 % • rendement total : 86,9 % • en moyenne, un arret de service a ete enregistre chaque 9.000 heures de service seulement. D une fagon generate, on peut dire que le fonctionnement des installations est tres rarement interrompu, • un service d'entretien regulier a ete effectue toutes les 3.000 heures de service en moyenne.

Simplification de I’injection d'electricite dans le reseau L'electricite generee par les modules de la hessenENERGIE dans le cadre de l'etude a ete injectee exclusivement sur le reseau de la compagnie energetique participant au projet avec laquelle un contrat de fourniture d'electricite avait ete passe. Afin de limiter au minimum les frais lies a I'injection de l'electricite sans toutefois negliger I’aspect de la securite, des simplifications adaptees a chaque unite ont ete definies en cooperation avec les compagnies energetiques. En I’absence de telles simplifications, certains sites n'auraient plus ete interessants en raison de couts trap eleves. Farm! ces mesures, on peut citer celles-ci : • la puissance reactive des installations etant faible, celle-ci n'a pas facture, II a done ete possible de se passer d'un compteurde puissance reactive, • un commutateur pour la deconnexion du reseau accessible de I'exterieur n'a pas ete prevu etant donne que les installations disposent d'un moteur asynchrone necessitant une connexion au reseau pour son fonctionnement, • les injections sur les installations electriques des maisons individuelles ont ete acceptees lorsqu'une injection separee jusqu'au poste de transfert n'aurait pas ete possible pour des raisons d ’ordre technique ou financier.

Rentabilite Un calcul type pour une installation de 6.000 heures de fonctionnement par an a permis d ’etablir les resultats suivants : aucun amortissement n'est economiquement possible en dessous d ’un tarif de rachat de l'electricite de 6,6 euros centimes/kWh. Entre-temps, les conditions regissant la production combines chaleur-electricite en Allemagne se sont ameliorees suite a I'introduction d une eco-taxe. Celle-ci se repercute positivement a deux niveaux : d'une part suite aux tarifs d'electricite majores de 0,01 euro/kWh, d'autre part grace a ['exoneration de la taxe sur les produits petrol!ers accordee au gaz naturel utilise dans

57 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

les centrales de cogeneration. Dans le Land de Hesse, la rentabilite se trouve encore amelioree par un programme de subvention lance par le gouvernement du Land (voir paragraphe suivant) et permettant d'atteindre un temps de retour inferieur a six ans.

Les ajto-producteurs d'energie au sein des petites centrales de cogeneration peuvent aussi bien etre des personnes privees que des entreprises ou des collectivites locales avec leurs etablissements municipaux. En tant qu'indice de reference, on peut partir d'un besoin annuel en chaleur d'au moins 120 MWh ainsi que d'une consommation annuelle d'electricite d'environ 40 MWh. En regle generale, les petites centrales de cogeneration devraient assurer une puissance thermique suffisante pour couvrir 10 a 15 % de la chaleur requise pour les immeubles a approvisionner.

Evaluation et Perspectives

La production en serie par SenerTec du module teste sur le terrain permet d'elargir un segment important du marche des petites centrales de cogeneration, un marche qui est certes encore assez marginal mais qui existe neanmoins bel et bien. Dans l'ensemble, on peut supposer qu'entre-temps, la technologie dans le domaine de la petite cogeneration a atteint un niveau imposant une utilisation plus generalisee de ces modules dans la prochaine etape qui devrait s'ensuivre.

Les frais d'investissement specifiques restent encore beaucoup plus eleves pour la petite cogeneration que pour les installations de moyenne ou grande puissance. Meme si les frais engendres par la conception et l'integration des modules dans les unites respectives sont moderns et ne representent qu'environ 30 % des couts des modules eux-memes, des frais allant de 2.000 jusqu'a 2.500 euros/kWe sont neanmoins atteints. Pour les installations de l'ordre de 50 kW, il est cependant deja possible de diviser les frais d'investissement par deux. Une valeur specifique de 1000 euros est en outre tout a fait realiste pour les modules disposant d'une capacite de plusieurs centaines de kilowatts, voire d'un megawatt. A partir de 50 kWe, certaines installations integrees dans des unites appropriees peuvent deja etre susceptibles de fonctionner de maniere rentable, sans aucune subvention.

Cependant, etant donnee la situation initiale dans laquelle se trouve la petite cogeneration, il est exclu que cette technologie novatrice, essentielle pour la protection du climat, reussisse a s'imposer d'elle-meme sans aucune intervention en matiere de politique energetique.

Afin de surmonter les obstacles qui s'opposent a cette innovation, il convient de suivre deux priorites : d'une part un soutien efficace en matiere de politique energetique - par exemple en privilegiant sensiblement et de maniere concrete l'electricite produite en cogeneration - d'autre part des strategies de marketing susceptibles d'assurer la commercialisation de cette technologie sur un marche qui est, helas, tres difficile a conquerir. C'est precisement dans cet objectif que depuis le debut decembre 1997, le Land de Hesse soutient les petites centrales de cogeneration fonctionnant au gaz naturel jusqu'a une puissance de 30 kWe dans le cadre d'un programme de subventions qui s'etalera jusqu'a fin 2000. Sur demande, il est possible de beneficier d'une subvention couvrant jusqu'a 30 % des couts globaux eligibles pour l'acquisition, le montage, l'integration des installations et meme pour les procedures d'autorisation - avec un plafond de 500 euros/ kWe ou de 5.000 euros par unite, c'est-adire de 2.250 euros pour un module de 5,5 kW. Fin mars 2000, 180 demandes de subvention avaient ete adressees a la hessenENERGIE. Un rapport devaluation finale du programme de promotion est prevu pour l'annee 2001.

Pour aller plus loin

hessenEnergie Stadt Frankfurt Reinhard SPOHLER Energiereferat Mainzer Str. 98-102 Dr. Werner NEUMANN DE - 65189 Wiesbaden Galvanistr. 28 Tel : +49 611 746 23 0 DE - 60486 Frankfurt/M. Fax : +49 611 71 82 24 Tel : +49 69 212 391 92 Email : [email protected] Fax : +49 69 212 394 72 http : www.hessenENERGIE.de Email : [email protected]

58 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 Petite Cogeneration \Ludwigshafen (DE)

Apres des experiences deja nombreuses dans le domaine de la cogeneration de grande et moyenne faille, certaines municipalites europeennes developpent actuellement des projets de petite cogeneration y compris I’integration et promotion des nouvelles technologies comme la pile a combustible, le moteur Stirling ou la mini-turbine a gaz. La «maison du futur » est nee dans le quartier residential de Brunck a Ludwigshafen. Elle a ete renovee selon des principes innovants, autant du point de vue energetique que de sa construction, et elle genere sa propre electricite al’aide d’une pile acombustible.

GENERAUX

La ville de Ludwigshafen est situee sur la rive gauche du Rhin dans le Rhin superieur, en face de la ville de Mannheim, dans le Land de Rhenanie-Palatinat. Ludwigshafen compte aujourd ’hui environ 165 000 habitants et est fortement marquee par son Industrie chimique (BASF), grace alaquelle elle est connue dans le monde entier. La ville dspose du plus grand port interieur de la rive gauche du Rhin, et avec environ 40 000 employes, BASF est le plus gros employeur du centre economique Rhin-Neckar.

Donnees climatiques : Degres jours (Base 17°C) : 3.270 Temperature annuelle moyenne : 10,7 °C

CoNTEXTE

Dans les annees trente, BASF avail decide de construire une cite ouvriere, le quartier de Brunck, directement devant ses usines. Les bailments fortement detruits pendant la guerre furent entierement reconstruits selon les plans originaux - 150 maisons comptant plus de 850 appartements pour une superficie habitable totale de 48 000 m2. Plus de 50 ans apres, ces maisons ont subi I’usure du temps et la mauvaise qualite des materiaux de construction disponibles al ’epoque se fait sentir.

De ce fait, la GEWOGE, une entreprise immobiliere de BASF, a elabore un projet en collaboration avec la Ville de Ludwigshafen et le Land de Rhenanie-Palatinat afin de moderniser le quartier de Brunck pour un montant total de 50 millions d ’euros did 2006. Ce projet de developpement durable de la ville prevoit une synthese entre conservation et renovation des bailments existants et demolition et reconstruction. Parallelement a un amenagement affray ant de la cite, la structure equilibree de la population representant proportionnellement tous les groupes d ’employes de BASF a pour but d ’assurer un bon voisinage. Le programme de renovation a debute en 1998, toutes les mesures prises repondent aux exigences du decret d ’economie d ’energie 2001 (« Energiesparverordnung »). A la fin de la renovation, II ne restera plus que 500 appartements pour une surface habitable totale quasiment identique.

59 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001

Experience de Ludwigshafen

La "maison du futur" Plus que de dormer de simples idees, la GEWOGE a decide de prouver avec la « maison du futur, prototype 1 » qu’il etait faisable et economiquement viable d ’optimiser le bilan energetique global d un batiment ancien a I’aide du savoir-faire et des materiaux de BASF et grace aux produits innovants d ’entreprises partenaires, afin de reduire le besoin annuel en energie de chauffage qui est de 200-300 kWh/(m2a) pour un batiment ancien non renove a 30 kWh/(m2a), soit 7 a10 fois moins.

Mesures prises au niveau de la construction : • mur exterieur: 20 cm de systeme composite d ’isolation ZUKUNFT WOHNEN IN LUOWIEBHAFEN thermique Nepor (groupe de conductivity thermique 0,35, DAS NEUE coefficient u <0,16 W/[m2K]), BRUNCKVIERTEL • toit : 20 cm d ’isolation thermique sur les chevrons et 9 cm d ’isolation thermique entre chevrons (u = 0,12 W/[m2K]), • plafond de la cave : 6 cm sous la dalle flottante et 14 cm colles sous le plafond (u = 0,17 W/[m2K] ; 18 cm d ’isolation du peri metre, • fenetres : vitrage isolant a trois parois rempli de gaz inerte (u = 0,8 W/[m2K]), • enduit d ’accumulation de la chaleur latente dans deux pieces, • construction des balcons autoportante et thermiquement decouplee.

La pile a combustible joue un role important dans le projet energetique permettant d ’obtenir une « maison trois litres » (maison ayant de faibles besoins en energie, au maximum trois litres de ”carburant"/m 2a). Grace aux prog res de la protection thermique, de nouvelles solutions d ’approvisionnement innovantes sont de plus en plus utilisees. La pile a combustible doit couvrir les besoins de base en electricity et en chaleur d une maison de neuf appartements. Les besoins restants en electricity sont converts par le reseau public, la chaleur restante est generee a partir d une chaudiere a gaz de condensation situee dans un batiment voisin et reliee a la maison du futur par une conduite de chauffage de proximite. A I’inverse, la pile a combustible peut egalement fournir de la chaleur a cette conduite et contribuer au chauffage du batiment voisin. L’installation centrale d ’aeration equipee d un systeme de recuperation de la chaleur constitue un autre element cle de ce projet energetique.

La pile a combustible de type PEFC La Polymer Electrolyt Fuell Cell (PEFC), egalement appelee pile PEM, tire son nom de la feuille de plastique semblable a du teflon qui joue le role d un electrolyte. Ses cellules ne peuvent fonctionner qu’avec de I’hydrogene pur. De simples traces de monoxyde de carbone suffiraient a les rend re rapidement inutilisables. La membrane de plastique doit rester en permanence humide afin d assurer la mobility des protons. Les cellules fonctionnent a des temperatures pouvant atteindre 90°C, la membrane en poly mere secherait et serait detruite au-dela La chaleur degagee par [’installation peut parfaitement etre utilisee pour I’approvisionnement en chaleur stationnaire d une maison mais ne convient que sous certaines conditions aux reseaux de chauffage locaux car les temperatures de sortie sont trap basses.

Une pile a combustible de type PEFC fonctionnant a I’hydrogene est prete a demarrer en quelques secondes et peut etre arretee aussi souvent que souhaite. C’est pourquoi cette pile suscite de grands espoirs dans I’industrie automobile. Utilisee avec du gaz nature!, la pile doit etre precedee d un dispositif de preparation du combustible qui reforme en quatre etapes le gaz nature! en gaz riche en hydrogene. Le temps de chauffage est alors de 10 a15 minutes.

Les principaux acteurs du projet a Ludwigshafen BASF, atravers son entreprise GEWOGE-LUWOGE, est a [’initiative de ce projet pilote.

Wing as intervient dans le projet en tant que fournisseur du gaz nature!. L’entreprise est aussi chargee d ’integrer la pile a combustible au reseau. Elle s’implique ainsi dans la demonstration d une application innovante du gaz nature!. Pour ce groupe gazier de 200 employes qui couvre 9 % du marche du gaz

60 ADEME/Energie-Cites Nouvelles technologies de petite cogeneration avril 2001 allemand, la presence dans un tel projet lui permet d ’acquerir une certaine experience et d ’anticiper sur le marche potentiel que constituent les techniques de production energetique decentralisee comme la pile a combustible. HGC Hamburg Gas Consult GmbH est le fournisseur du models pilote de la pile a combustible. La TWL «Technische Werke Ludwigshafen »AG, compagnie communale d ’approvisionnement (eau, chaleur, gaz, electricite) participe ace projet dans le but d ’offrir un service energetique innovant.

TSB Transferstelle Bingen est un organisms de transfert de connaissances cree en 1989 et finance par le Rheinland-Pfalzisches Ministerium fur Wirtschaft und Verkehr (Ministers de I’economie et des transports de Land Rhenanie-palatinat). Les themes prioritaires sont I’utilisation rationnelle de I’energie et les energies renouvelables. Transferstelle Bingen, en parallels avec I’universite de Kaiserslautern accompagnement techniquement le projet. I Is devront en outre se pencher sur [’exploitation des mesures relevees pendant touts la duree du projet. En effet, 120 millions de mesures par an pendant 3 ans ont pour but de systematiser et comprendre les besoins thermiques et electriques de ces nouveaux logements. Ces mesures portent egalement sur le fonctionnement de la pile a combustible installee.

L’installation test L’installation de test pratique de Ludwigshafen est une centrals energetique domestique developpee par HGC. Les puissances de 3 kWei et 8 kWth sont prevues pour etre utiUsees parallelement au reseau electrique dans une maison plurifamiliale. Elies pourraient cependant egalement etre utilisees dans des maisons monofamiliales.

HGC achete les piles a combustibles aupres de Dais Analytic Corporation (DAC) a Boston. Le generateur d ’electricite developpe par DAC a partir de la technique PEFC a pu etre transforms al ’aide de HGC en installation de cogeneration. Aux Etats-Unis, seule I’electricite est utilises et pas la chaleur degagee.

Quatre raccordements sont necessaires pour cette centrals energetique domestique : courant, chaleur, gaz et - uniquement pour les prototypes en phase de test - un raccordement pour I’eau. La pile degage principalement de la vapeur d ’eau et du dioxyde de carbons. Un echangeur thermique refroidit considerablement les gaz degages. Un simple tuyau d ’evacuation est done tout a fait suffisant pour les evacuer.

Apres I’installation des premiers prototypes pilotes par le «Verbundnetz Gas AG » (en mars 1999) a Machern, la premiere Alpha-Unit de la centrals energetique domestique HGC (appelee HEZ) a pu etre miss en service en aout 1999 dans une maison plurifamiliale de Hambourg. La maison du futur a regu une autre installation de ce type en mai 2000.

Donnees techniques : Puissance electrique 3 kW Puissance thermique 8 kW Rendement electrique 38 %(1 kW) 32 % (3 kW) Rendement thermique 53 % Rendement total 85 % Consommation de gaz 13 kW (pleine charge)

Dimensions Lonqueur 0.76 m Larqeur 0.71 m Hauteur 1.55 m

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Evaluation et Perspectives

L’objectif du projet pilote de Ludwigshafen est de fournir une image realiste de I’efficacite energetique, des couts et du fonctionnement de la pile a combustible. Les donnees relatives aux installations et a la consommation seront saisies, enregistrees et visualisees sur place. Pendant les trois ans de fonctionnement experimental, ce projet fera I’objet d un vaste suivi scientifique mene par des instituts ou des ecoles superieures. Un projet de mesure et d ’analyse global ayant pour objectif d ’analyser en detail tous les flux energetiques du batiment a ete developpe. Tous les participants ont constamment acces aux 120 millions de donnees mesurees par an via le reseau de telecommunication.

La renovation de la maison du futur prendra fin en avril 2001. La pile a combustible a ete installee des mai 2000 et a ete mise en service pour des essais, la chaleur a ete utilisee dans le batiment voisin. Ce fonctionnement en mode de test a cependant du etre limite car la poussiere generee par les travaux et qui etait entree dans la chaufferie a encrasse I’installation, il est done encore impossible de confirmer que les puissances prevues peuvent bien etre atteintes.

Hamburg Gas Consult estime qu’une fois que les donnees et les experiences menees sur la premiere generation de pile auront ete analysees, la Beta-Unit pourra a son tour etre produite et testee. HGC souhaite lancer la fabrication en serie fin 2002. Le groupe et la majeure partie des composants devraient alors etre produits en Europe.

1 500 euros/kW est I’objectif fixe pour obtenir un prix conforme au marche, ce qui correspondrait a environ 5 000 euros pour ['installation de 3 kW. Pour obtenir un tel prix unitaire, il serait necessaire de produire en serie au mol ns 100 000 unites sur une periode de 5 ans. Le potent! el est bien Iq le succes ne depend ra que de la strategic de commercialisation adoptee.

Pour aller plus loin

Gewoge/Luwoge Wingas GmbH Herr AHRENS Bernd VOGEL Dessauer Str. 59 Friedrich-Ebert-Str. 160 DE - 67063 Ludwigshafen DE - 34119 Kassel Tel : +49 621 604 10 01 Tel : +49 561 301 22 64 Fax : +49 621 604 15 55 Fax : +49 561 301 11 11 Email : [email protected] Email : [email protected] http : www.wingas.de