Nickel magazine, Mar. 02 -- Toronto est bien placée pour devenir une des premières villes à entrer dans une nouvelle ère de la production d'électricité basée sur la technologie des piles à combustible. Une usine électrique de démonstration à SOFC de 250 kW, qui utilisera plus de 600 kg de nickel, doit être inaugurée à Toronto, Canada, d'ici juillet 2002. Conçue par Siemens Westinghouse, cette usine est actuellement construite sur un terrain de la Kinectrics Inc., une filiale de l'Ontario Power Generation Inc. (OPG). Cette usine, qui coûtera 18 millions de dollars, est financée conjointement par Siemens-Westinghouse, l'OPG, le Ministère de l'Énergie des États-Unis (D.O.E.) et le gouvernement canadien.

Les piles à combustible à électrolyte solide (SOFC) comptent parmi les cinq types de piles à combustible dans lesquels se déroulent les mêmes processus chimiques. En effet, seule la manière de laquelle ces processus se déroulent varie d'une pile à l'autre. Les piles à combustible assurent la combinaison électrochimique d'hydrogène et d'oxygène pour produire de l'électricité et - en tant que produit secondaire - de l'eau. Contrairement aux piles normales, les piles à combustible génèrent de l'électricité tant qu'elles sont alimentées en combustible.

Les SOFC fonctionnent à des températures d'environ 1 000°C. Leur nom provient du fait qu'elles utilisent de l'oxyde de zircon dense en tant qu'électrolyte solide. Chaque SOFC comporte un tuyau vertical en céramique fermé à son extrémité inférieure et composé de couches concentriques : une cathode intérieure, une anode extérieure et un électrolyte situé entre les deux. Ces trois couches sont réalisées dans les matériaux suivants :

• une cathode en oxyde de lanthane-manganèse (LaMnO3) dopé à l'intérieur,
• un électrolyte en zircon stabilisé à l'yttrium (YSZ) au milieu et
• un cermet de nickel et de YSZ comme anode à l'extérieur du tuyau.

Long de 1,7 mètres, chaque élément présente un diamètre intérieur de 2,2 centimètres. L'air est injecté à travers un tuyau en aluminium disposé de manière concentrique à la pile et descend d'abord jusqu'à l'extrémité inférieure fermée avant de remonter dans l'espace annulaire entre les deux tuyaux (cf. schéma). L'oxygène de l'air est ionisé pendant qu'il passe sur la surface intérieure cathodique de la pile, les ions d'oxygène pénètrent la couche d'électrolyte intermédiaire et réagissent, sur la face extérieure anodique de la pile, avec de l'hydrogène et du monoxyde de carbone pour produire de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'électricité. L'hydrogène et le monoxyde de carbone proviennent du gaz naturel "réformé" fourni à l'installation comme combustible et sont dirigés le long de la surface extérieure du tuyau.

Chaque SOFC produit environ 150 watts d'électricité à environ 0,65 volts. Pour une usine électrique censée produire un grand nombre de kilowatts d'électricité, il faut assembler de nombreuses piles individuelles sous forme de faisceaux de piles, chacun de ces faisceaux comportant 24 piles individuelles. À titre d'exemple, pour l'usine électrique de 250 kW à Toronto, le "stack" total de piles comprend 2 300 piles disposées sous forme de 96 faisceaux. Toutes les piles sont reliées entre elles par des "tissus" de nickel réalisés en nickel électrolytique. Le stack est relié à la sortie du groupe électrogène par des barres omnibus CC en N02200 ainsi qu'à des plaques de contact électriques réalisées, elles aussi, en N02200. Le besoin total de nickel pour le stack SOFC de cette usine électrique à Toronto s'élève à environ 400 kilogrammes.

Par ailleurs, du nickel est également utilisé dans les alliages N06600 ou N06230 pour différents composants directement liés au stack. Ces composants englobent la boucle de retour disposée en amont du réformateur, le revêtement du stack, les films de séparation à l'intérieur et les conduites de combustible. Au total, ces composants représentent 214 kilogrammes additionnels de nickel destinés au module de piles à combustible.

Le module de production d'énergie à piles à combustible n'est toutefois qu'une partie de cette centrale électrique complète et opérationnelle. Le restant de cette installation englobe plusieurs autres composants essentiels, comme les processeurs de combustible, les compresseurs, les échangeurs de chaleur et les power conditioners, qui exigeront également l'emploi de nickel sous forme d'aciers inoxydables et d'autres alliages.

Si cette installation fait ses preuves, les usines électriques à SOFC exigeront environ 3 kilogrammes de nickel par kilowatt d'électricité produite. Étant donné qu'on estime le volume du marché des usines électriques à SOFC à 240 mégawatts par an d'ici 2010, cela correspond à un besoin de quelque 750 tonnes de nickel par an durant les dix années à venir.

Les piles à combustible présentent des avantages significatifs par rapport à d'autres techniques de production d'électricité. En effet, elles ne génèrent ni bruits ni odeurs, ont un impact relativement faible sur l'environnement et présentent une efficacité énergétique nettement supérieure. L'efficacité de la transformation de combustibles fossiles en énergie électrique peut atteindre 60 %, et si on utilise la chaleur produite par les piles à combustible comme produit secondaire sous forme d'eau chaude ou de vapeur, l'efficacité énergétique totale peut augmenter à 80 % voire plus.

Les SOFC représentent un type relativement nouveau de piles à combustible. Étant donné qu'actuellement, les piles à combustible ne font pas encore l'objet d'une utilisation commerciale, les coûts de la réalisation de prototypes ou d'installations pilotes sont encore relativement élevés mais diminueront à un niveau plus compétitif dès que la production automatisée de quantités plus importantes sera lancée.

Par le Dr Gerald Crawford, consultant du Nickel Development Institute à Toronto.


Photo: TOM SKUDRA/NiDI

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