Les piles à combustible à hydrogène favorisent la transition vers la production combinée de chaleur et d'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables | Alfa Laval

Les piles à combustible à hydrogène favorisent la transition vers la production combinée de chaleur et d'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables.

L'hydrogène s'impose rapidement comme un vecteur d'énergie propre qui peut contribuer à la décarbonisation de l'économie mondiale et à un avenir plus durable. L'ère de l'énergie hydrogène - HEE Technologies GmbH, un fournisseur allemand d'énergie renouvelable, aide la ville de Guiyang, capitale de la province de Guizhou, dans le sud-ouest de la Chine, à développer l'industrie de l'énergie hydrogène et l'infrastructure hydrogène pour, entre autres, la production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE).

DATE 2022-07-26

Au cœur de ce plan d’ensemble de l'infrastructure de l'hydrogène :
le système stationnaire PCCE à piles à combustible d’HEE, qui utilise l'hydrogène comme source d'énergie. Ses composants essentiels sont l'échangeur thermique à plaques soudées par fusion AlfaNova d’Alfa Laval pour refroidir l'empilement de piles à combustible et l'échangeur thermique à plaques gaz-liquide Alfa Laval pour récupérer la chaleur des gaz d'échappement. Testé et vérifié, le système libère uniquement de la vapeur d'eau et de l'air, accélérant ainsi l'économie de l'hydrogène durable de demain.

Favoriser l'économie de l'hydrogène

Créée en 2018, HEE mène à bien sa mission qui consiste à garantir un avenir énergétique propre en développant, validant et mettant en œuvre des solutions énergétiques basées sur l'hydrogène sûres, abordables et durables.

« La transition rapide vers des systèmes d'énergie renouvelable est urgente, explique Stephan Duch, directeur général d’HEE. L'hydrogène, par l’aide qu’il apportera au niveau mondial, jouera un rôle essentiel dans la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles et pour se diriger vers la neutralité carbone. »

La recherche de composants essentiels pour le système PCCE à piles à combustible d’HEE s'est avérée difficile dans un premier temps. Les échangeurs thermiques gaz-liquide et les échangeurs thermiques à plaques soudées par fusion AlfaNova d'Alfa Laval, constitués à 100 % d’acier inoxydable, ont été des choix évidents pour la récupération de la chaleur des gaz d'échappement et le refroidissement des cheminées.

 

Nous nous sommes tournés vers Alfa Laval en raison de son expertise, ses solides antécédents, sa technologie éprouvée d'échangeurs thermiques à plaques, sa capacité à passer à une production à l'échelle commerciale et notre vision commune de l’accélération de la transition vers les énergies renouvelables.

explique M. Julius Jelden-Thurm, codirecteur technique d’HEE

La taille était un paramètre décisif pour le système PCCE à piles à combustible d’HEE puisque sa conception est dérivée de systèmes similaires de l'industrie automobile. L'échangeur thermique à plaques gaz-liquide s'est révélé être un choix judicieux comme unité de récupération de la chaleur des gaz d'échappement en raison de sa conception ultracompacte, sa grande efficacité, ses performances exceptionnellement élevées et sa plus grande résistance à la fatigue thermique.

Il en va de même concernant l'AlfaNova d'Alfa Laval, constitué à 100 % d’acier inoxydable, qui refroidit la cheminée tout en assurant la propreté du processus.

 

Schéma de fonctionnement d'un système générique de piles à combustible à hydrogène

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L'hydrogène s'écoule dans la cheminée, générant de l'électricité. L'échangeur thermique à plaques soudées par fusion Alfa Laval refroidit la cheminée ; l'échangeur thermique à plaques gaz-liquide Alfa Laval récupère la chaleur de l'air pour la réutiliser. Seuls sont libérés de la vapeur d'eau et de l'air.

 

Meilleur rapport prix/performance

Le faible encombrement, la durabilité et une efficacité thermique élevée ont été les principaux critères de sélection des échangeurs thermiques gaz-liquide et à plaques soudées par fusion Alfa Laval pour le système PCCE à piles à combustible d’HEE. Les rapports prix/performance étaient convaincants.

Notre analyse a montré que les échangeurs thermiques à plaques Alfa Laval réalisaient de solides performances pour un coût inférieur de 20 % par rapport aux unités comparables, déclare M. Jelden-Thurm. La décision d'aller de l'avant avec Alfa Laval a donc été facile à prendre. De plus, tous deux présentent des caractéristiques de conception uniques essentielles au succès de nos systèmes stationnaires PCCE à piles à combustible. 

Répondre aux exigences de PCCE à l'hydrogène

Compacts et durables, les échangeurs thermiques à plaques gaz-liquide Alfa Laval minimisent l'encombrement global et les coûts d'installation associés du système PCCE à piles à combustible d’HEE. Les échangeurs thermiques à plaques sont dotés de canaux asymétriques avec des plaques à fossettes du côté gaz pour permettre un important débit de gaz et une efficacité thermique élevée. Cela s’est révélé la meilleure solution globale pour répondre aux exigences de l'application. Le matériau de brasage maintient fermement les plaques ensemble aux points de contact, assurant ainsi une efficacité optimale du transfert thermique et une résistance à la pression. De plus, l'encombrement de l'échangeur thermique à plaques gaz-liquide est inférieur de 75 % à celui d'unités tubulaires comparables et beaucoup plus faible que celui des autres échangeurs thermiques à plaques envisagés par HEE.

 

Il est fondamental de maintenir le refroidissement de l'empilement de piles à combustible pour assurer un fonctionnement sûr, fiable et efficace. La propreté du processus est un autre élément clé. Le refroidisseur de cheminée AlfaNova d’Alfa Laval, constitué à 100 % d’acier inoxydable, minimise la dissolution des ions ainsi que la corrosion et la dégradation du système qui en découlent.

 

« L'échangeur thermique à plaques soudées par fusion AlfaNova était le choix évident pour refroidir la cheminée, explique M. Jelden-Thurm. Il garantit que l'eau ultrapure utilisée comme liquide de refroidissement présente une faible conductivité, condition indispensable pour le système de piles à combustible. »

 

La technologie brevetée de soudage par fusion AlfaFusion d’Alfa Laval garantit une meilleure résistance mécanique et un transfert thermique efficace, même lorsque la différence de température entre les milieux chaud et froid est faible, ce qui permet de réaliser des économies sur les coûts énergétiques.
Autre atout : il est entièrement recyclable à la fin de sa vie utile.

 

De la présérie à la production en série

La validation du système pilote de piles à combustible à hydrogène d’HEE a ouvert la voie à l’intensification de la production en présérie par le biais d'une joint-venture avec la ville de Guiyang et des partenaires industriels locaux et régionaux.

La construction d'une usine de fabrication du système PCCE à piles à combustible d’HEE est en cours. HEE a récemment commandé des échangeurs thermiques à plaques Alfa Laval supplémentaires pour les livrer sur son site de production de Guiyang et prévoit de passer à la production en série dans deux ans. L'objectif est de fournir les systèmes de piles à combustible et de les connecter au réseau de chauffage urbain résidentiel dans le cadre des solutions d'énergie renouvelable de Guiyang.

 

« Pour l'instant, nous utilisons de l'hydrogène reformé à partir de combustibles fossiles, mais nous prévoyons, une fois l'infrastructure en place, de passer à l'hydrogène issu de la gazéification des boues d'épuration municipales et de l'électrolyse de l'eau alimentée par de l'énergie verte, explique M. Jelden-Thurm. Toutefois, nos systèmes de piles à combustible ne produisent aucune émission locale, car il s'agit d'un système fermé libérant uniquement de la vapeur d'eau et de l'air. »

 

Un rendement total du système supérieur à 100 %

Selon l'Agence américaine de protection de l'environnement, la plupart des systèmes PCCE à base de combustibles fossiles atteignent généralement un rendement global de 65 à 80 %.

HEE estime que sa pile à combustible à hydrogène a un rendement électrique maximum d'environ 55 %.

 

« Le système PCCE à piles à combustible d’HEE peut atteindre un rendement total du système de 105 % en utilisant les méthodes de calcul conventionnelles, indique M. Jelden-Thurm. Si l'on tient compte du rendement supplémentaire de 30 à 40 % dû à l'énergie thermique récupérée grâce au refroidissement des cheminées et de 15 % issu de la récupération de chaleur des gaz d'échappement, les échangeurs thermiques à plaques Alfa Laval sont essentiels pour augmenter le rendement global de notre système. »

Note: Les calculs dans le paragraphe ci-dessus sont basés sur les unités PCCE de présérie d’HEE et sont à vérifier sur le long terme. La puissance électrique et thermique réelle varie en fonction de l'application.


Le système PCCE à piles à combustile d'HEE

Production d'électricité 100 kW, 400V AC 50/60 Hz
Puissance thermique 130 kW, ~70°C
Qualité de l'hydrogène Conforme à l'ISO 14687-2 et SAE J2719

 

Collaborer pour un avenir énergétique propre

Compte tenu du succès de la joint-venture de Guiyang jusqu'à présent, HEE est optimiste pour l'avenir. D'autres autorités locales et régionales dans toute la Chine ont suivi les progrès avec intérêt.

« Nous prévoyons de participer activement à d'autres accords de joint-venture en Chine et envisageons de reproduire le modèle commercial de Guiyang ailleurs, déclare M. Duch Nous nous réjouissons également à l’idée de soutenir l'Allemagne dans ses efforts pour atteindre l'autosuffisance énergétique à partir des énergies renouvelables et s'affranchir de la dépendance aux combustibles fossiles. »

 

« L'unité de récupération de chaleur des gaz d'échappement et le refroidisseur de cheminée Alfa Laval sont des composants indispensables de notre système stationnaire PCCE à piles à combustible. Ils sont essentiels à notre réussite », ajoute M. Jelden-Thurm.

Nous avons accordé notre confiance à Alfa Laval et sommes convaincus que notre collaboration se poursuivra à l'avenir.” 

M. Julius Jelden-Thurm, codirecteur technique d’HEE

 

Des solutions durables pour un monde meilleur

HEE et Alfa Laval travaillent toutes deux à répondre aux demandes énergétiques de demain tout en réduisant la dépendance mondiale aux combustibles fossiles. Le système PCCE à piles à combustible d’HEE, avec son unité de récupération de chaleur des gaz d'échappement Alfa Laval et l'échangeur thermique à plaques soudées par fusion pour le refroidissement de la cheminée, encourage l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique pour une énergie renouvelable commercialement viable.

Alfa Laval propose des solutions énergétiques innovantes, accélérant ainsi la transition vers un avenir plus propre et plus durable. Ces solutions contribuent à réduire les émissions et à améliorer le rendement énergétique, tout en favorisant une utilisation plus responsable des ressources naturelles. Comme toujours, Alfa Laval est prête à soutenir l'industrie des piles à combustible pour répondre à la demande mondiale croissante.


Télécharger l'étude de cas

HEE_CHP_fuel_cell_system_640x360.jpgSystème de piles à combustible HEE

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Optimisé pour les tâches exigeantes, l'AlfaNova est un échangeur de chaleur unique à plaques collées par fusion, fabriqué à 100 % en acier inoxydable.

Echangeurs à plaques AlfaNova

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La conception unique de nos échangeurs de chaleur à plaques gaz-liquide leur permet de prendre en charge des tâches complexes liées au gaz, ce qui est impossible pour les autres échangeurs de chaleur à plaques.

Echangeurs à plaques Gaz-Liquide 

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Dans le cadre de la transition énergétique, la proportion d'hydrogène produit à partir d'énergies renouvelables comme le solaire, l’éolien, l’hydro-électricité, le biogaz, va croitre de manière importante dans les années à venir. L'hydrogène vert pourrait représenter jusqu'à 24 % du marché de l'énergie d'ici à 2050.

Production d'hydrogène vert

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