Les piles à combustible à oxyde solide fournissent une alimentation de secours pour les applications hybrides à petite échelle

La pile à combustible à pile à combustible à distance Watt est conçue pour être intégrée à une solution de stockage d'énergie/énergie solaire. (Photo : Watt Fuel Cell)

L'alimentation de secours s'adresse à un large éventail d'applications, du résidentiel à l'industriel. Dans ce dernier cas, les groupes électrogènes et les systèmes de stockage d'énergie par batterie (SSEB) sont actuellement en concurrence. De nombreux fabricants de SSEB ont pu adapter leurs systèmes pour fournir des puissances de plusieurs mégawatts qui, auparavant, ne pouvaient être fournies que par de grands groupes électrogènes industriels.

Les groupes électrogènes sont également utilisés dans un créneau d'alimentation de secours, plus précisément commercial. Ces applications nécessitent généralement une alimentation de secours fiable, mais ne requièrent pas la puissance nécessaire en milieu industriel.

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) concurrencent les groupes électrogènes dans les applications commerciales plus petites.

Danielle Ramaley, vice-présidente des ventes et du marketing du fabricant de SOFC Watt Fuel Cell, basé à Mount Pleasant, en Pennsylvanie, a déclaré que la manière la plus simple de décrire un SOFC est de penser à une batterie.

C'est le même type de dispositif électrochimique, composé d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte. Mais au lieu de simplement stocker de l'énergie, une SOFC peut en créer à condition de disposer d'une source de combustible.

Elle a déclaré qu'une SOFC convertit chimiquement le carburant (principalement du gaz naturel) en électricité continue.

« Tout est catalytique — pas de combustion », a déclaré Ramaley, ajoutant que les avantages incluent un très faible bruit « parce que vous n'avez pas l'équipement rotatif d'un processus traditionnel basé sur la combustion » et des émissions considérablement réduites.

« Pas de NOx (oxydes d’azote), pas de SOx (oxydes de soufre), pas de particules », a-t-elle déclaré.

Sources de combustibles gazeux

Bien que les SOFC de Watt utilisent principalement du gaz naturel, Ramaley a déclaré qu'ils peuvent également utiliser du propane.

« Dans certains de nos projets, nous pouvons également mélanger de l'hydrogène avec l'un ou l'autre de ces carburants, jusqu'à environ 20 % d'hydrogène mélangé », a déclaré Ramaley. « Mais Watt s'est concentré sur des carburants facilement disponibles sur le marché et faciles à se procurer. »

Elle a ajouté que de nombreuses applications à distance, tout comme les camping-cars, fonctionnent au propane. Pour les applications résidentielles, le gaz naturel est généralement le combustible de choix, a précisé Ramaley.

Applications à petite échelle

« Je dirais que du point de vue du marché, Watt se concentre sur l’énergie à petite échelle, et nous nous adressons réellement à trois marchés différents », a déclaré Ramaley.

Parmi ces marchés figurent l'énergie résidentielle, qui peut être utilisée comme énergie principale ou de secours, et les applications récréatives, comme celles des camping-cars. Le troisième marché est celui des applications d'énergie à distance, pour lesquelles les SOFC de Watt fonctionnent généralement de concert avec d'autres technologies de production et de stockage d'énergie, notamment les batteries, a expliqué M. Ramaley.

La pile à combustible à base de silicium (SOFC) Watt Nomad est conçue pour le marché des véhicules de loisirs, l'un des marchés clés de Watt Fuel Cell. (Photo : Watt Fuel Cell)

« Nous formons un système énergétique exceptionnel, parfaitement adapté aux applications du type : "Je suis au milieu de nulle part et j'ai besoin d'une énergie fiable, résiliente et propre", a-t-elle déclaré. En associant l'énergie solaire à une batterie et à une pile à combustible [à oxyde solide], lorsque l'énergie solaire n'est pas en fonctionnement, la pile à combustible est toujours disponible, capable de fonctionner selon les besoins. »

Ramaley a déclaré que d'autres applications incluent la sécurisation d'équipements distants, tels que les têtes de puits de pétrole et de gaz, ainsi que certaines utilisations plus uniques de la technologie.

« Quand je pense aux applications industrielles et commerciales sur lesquelles nous nous concentrons avec nos partenaires revendeurs, il s'agit notamment de sécurité et de surveillance à distance », a-t-elle déclaré. « Nous avons un client qui se concentre sur des solutions comme les logiciels de reconnaissance faciale. Il a un contrat pour les alertes Amber (personnes disparues). »

Technologie unique

Ramaley a déclaré que la technologie SOFC de Watt est unique par rapport aux technologies concurrentes, qu'elle a décrites comme des SOFC « planaires ».

« Les piles à combustible ont à peu près la taille d'un sous-verre, ou d'un Post-it », a-t-elle expliqué à propos des SOFC planaires. « Ces piles à combustible sont empilées en série, comme un jeu de cartes. Nos piles à combustible sont microtubulaires, elles ont donc à peu près la taille d'un stylo. Elles sont disposées en empilement. »

Selon Ramaley, cette géométrie et cette configuration tubulaires rendent les SOFC Watts particulièrement bien adaptées au cyclage thermique et au suivi de charge, tout en étant capables de s'allumer et de s'éteindre plusieurs fois.

« Traditionnellement, la technologie SOFC planaire n'apprécie pas les cycles intermittents », a-t-elle expliqué. « Elle préfère fonctionner à une puissance constante. Or, les piles à combustible microtubulaires sont très performantes en cyclage, et notre technologie est conçue autour de ce cyclage. Ainsi, pour les applications commerciales et industrielles, ou pour les applications d'alimentation à distance, notre technologie est idéale pour répondre à ce besoin de cyclage. »

Une petite empreinte

Contrairement aux groupes électrogènes traditionnels, même à de nombreux modèles portables, les SOFC de Watt peuvent littéralement tenir sur un comptoir.

« Notre unité fait à peu près la taille d'un micro-ondes domestique posé sur un plan de travail », explique Ramaley. « Elle est relativement petite : environ 60 cm, 60 cm de large et 30 cm de large dans chaque sens. »

Elle a ajouté que l'empreinte au sol reste la même, quelle que soit la puissance de sortie. « Nous avons un système d'environ 500 watts et un système de 1,5 kW. »

Ramaley a déclaré que la puissance de sortie moyenne pour un usage résidentiel aux États-Unis est d'environ 1,2 kW, ce qui peut répondre de manière constante à la charge de base moyenne d'une maison lorsqu'elle est associée au stockage d'énergie.

« Vous êtes alors en mesure de couvrir vos pics et de disposer d'une alimentation de secours propre chaque fois que vous en avez besoin, essentiellement », a-t-elle déclaré.

Consommation de carburant réduite, entretien

Ramaley a déclaré que les SOFC utilisées comme réserve d'énergie pour un système solaire qui, autrement, s'appuierait sur un groupe électrogène traditionnel pour l'alimentation de secours, peuvent offrir des économies de carburant de 60 à 90 pour cent.

« Dans certains cas, la pile à combustible peut rester inutilisée pendant des jours », a-t-elle expliqué. « Dans d'autres cas, elle peut fonctionner quotidiennement, comme en hiver. Disposer d'une source d'énergie capable de réduire la consommation de carburant de 60 à 90 % par rapport aux produits à combustion permet de réduire considérablement les besoins de maintenance sur site dans les zones reculées. »

La réduction supplémentaire de la maintenance, en plus de l'absence de pièces mobiles, est la possibilité de surveiller la SOFC via n'importe quelle connexion Internet.

« Ainsi, lorsqu'il s'agit d'applications véritablement distantes nécessitant l'envoi d'une équipe de maintenance sur le terrain au milieu de nulle part, vous pouvez surveiller le fonctionnement de la pile à combustible à distance, à condition d'avoir accès à Internet, et voir en temps réel ce qui se passe avec vos niveaux de stockage d'énergie, les niveaux de votre batterie, l'état de charge, la quantité d'énergie solaire que vous produisez, ainsi que le cycle de la pile à combustible. »

Modulaire et évolutif

Pour les applications plus importantes ou celles qui peuvent parfois nécessiter plus de puissance qu'une seule unité ne peut en fournir, Ramaley a déclaré que les piles à combustible sont modulaires et évolutives.

« Nous utilisons la communication CAN pour relier nos unités entre elles », explique-t-elle. « Nous pouvons relier une dizaine d'unités entre elles, et elles peuvent communiquer intelligemment entre elles. Ainsi, si la consommation d'énergie est faible pendant un certain temps, elles alternent intelligemment entre les unités : la première, puis la deuxième et la troisième. Mais si plusieurs unités doivent être connectées simultanément, elles le font également. »

Watt utilise la technologie d'impression 3D pour produire des SOFC

Watt Fuel Cell est fier d'utiliser la fabrication 3D dans la production de ses piles à combustible à oxyde solide (SOFC).

« C'est ce qui fait la renommée de Watt », a déclaré Danielle Ramaley, vice-présidente des ventes et du marketing de Watt Fuel Cell, « et une grande partie de notre technologie exclusive repose sur la façon dont nous fabriquons nos piles à combustible tubulaires. »

Un robot automatisé utilisé dans le processus d'impression 3D de Watt. (Photo : Watt Fuel Cell)

Ramaley a déclaré que les piles à combustible tubulaires comme celles fabriquées par Watt sont produites via un processus d'extrusion.

« C'est comme faire des rigatonis », a-t-elle expliqué, en faisant référence à ce type de pâtes. « On fabrique une pâte. On l'extrude, puis on passe par de multiples étapes de superposition, puis de superposition de l'électrolyte et de la cathode. C'est un processus très itératif et long. »

Avec ce procédé d'extrusion, il faut environ 200 heures pour fabriquer une pile à combustible tubulaire, a déclaré Ramaley.

« Watt a axé le développement de cette technologie sur sa rentabilité et sa viabilité à grande échelle », a-t-elle déclaré. « Nous avons donc privilégié dès le départ l'impression 3D. Aujourd'hui, nous avons réduit à quatre minutes un processus qui prenait traditionnellement environ 200 heures. »

Outre la réduction significative du temps de fabrication, Ramaley a déclaré qu'un autre avantage de la technologie d'impression 3D de Watt est le niveau de détail qu'elle fournit.

« Nous imprimons à l'échelle du micron, soit environ la moitié de la taille d'un cheveu humain », a-t-elle expliqué. « Cela nous permet de contrôler non seulement la qualité de nos piles à combustible, mais aussi leur mode d'impression et de fabrication. »

Ramaley a déclaré que cela permet à Watt de concevoir ses SOFC pour maximiser l'efficacité en raison du niveau de détail fin - ce qui n'est pas possible avec l'extrusion.

Procédé de fabrication Watt comparé au procédé d'extrusion traditionnel. (Image : Pile à combustible Watt)

« Notre siège social est situé à Mount Pleasant, en Pennsylvanie, juste à côté de Pittsburgh, et nous venons de procéder à une importante expansion », a déclaré Ramaley. « L'objectif de cette expansion était d'accroître nos capacités d'impression 3D. Nous avons désormais la capacité de produire entre 1 500 et 2 000 unités par an. »

Watt peut utiliser sa capacité d’impression 3D pour fabriquer des SOFC 24 heures sur 24.

« Nous utilisons plusieurs procédés d'impression avec un bras robotisé et un contrôle qualité informatisé robotisé », explique Ramaley. « Nous pouvons éliminer en partie le facteur humain de ce processus de production, ce qui nous permet d'atteindre un niveau élevé de qualité et de répétabilité pour produire des piles à combustible tubulaires de très haute qualité. »

Generac prend une participation dans la société de piles à combustible Watt Fuel Cell Corp., spécialisée dans les piles à combustible à oxyde solide pour les applications résidentielles et autres.