LA FILIÈRE HYDROGÈNE
« Je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d'une intensité que la houille ne saurait avoir. » Jules verne, l’île mystérieuse (1874) Sébastien ROSINI
12 NOVEMBRE 2013
PLAN
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Introduction Présentation de la filière hydrogène Production de l’hydrogène Stockage Utilisation de l’hydrogène : les piles à combustible • PEM • SOFC • Deux exemples de système pile à combustible
LA FILIÈRE HYDROGÈNE AU SEIN DU CEA Activité centrée autour du LITEN (DRT) avec le soutien DSM et DAM 120 permanents 15 doctorants 20 post doctorants Plateforme de test, de fabrication et d’expérimentation Contrats partenariaux et industriels
Visite Euro-Shelter| Grenoble, 2 juillet 2013
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LE COMBUSTIBLE HYDROGÈNE QUELQUES CHIFFRES
1 kg d’hydrogène, c’est : 33,33 kWh (pouvoir calorifique inférieur, 120 MJ) ~ 16 kWh électriques en sortie de pile (rendement électrique ~ 50%)
1 à 2 jours d’autonomie pour une maison tout confort (hors chauffage) ~ 100 km pour un véhicule de classe moyenne
l’équivalent de 2,75 kg d’essence (soit 3,7 l) ~ 25 litres à 700 bars (poids du réservoir env. 20 kg/kg H2) 2 à 10 € selon les méthodes de production et transport utilisées
Filière hydrogène: état de l’art
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LA FILIÈRE HYDROGÈNE Industrie chimique
CO2
Biomasse
Moteur thermique
Reformage
CO2 Centrale hydraulique
CO2
Eau
H2
CO2
Énergie fossile Charbon, gaz, pétrole
Centrale thermique
Électrolyse
Transport Distribution
Énergies renouvelables
Centrale nucléaire
Hydrogène énergie
Cycles thermochimiques
Pile à combustible Conditionnement - sous pression - cryogénique - hydrures -…
Chaleur + Filière hydrogène: état de l’artélectricité | PAGE 5
LA PRODUCTION D’HYDROGÈNE DÉ-CARBONÉ
• A partir de la biomasse Production de combustible carboné Cycle de production de l’hydrogène directe complexe
• Par cycle thermochimique Gestion complexe du cycle au niveau thermique et fluidique Problème de corrosion (cycle de l’iode à 400°C)
• Par électrolyse • • •
Electrolyse Alcaline Electrolyse PEM Electrolyse haute température
Filière hydrogène: état de l’art
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ELECTROLYSE DE L’EAU Décomposition de l’eau sous l’effet du courant
Pt
H2O -> H2 +1/2 O2
H2
production d’hydrogène sur une des électrodes production d’oxygène sur l’autre électrode production de chaleur
I fonction de la production de d’hydrogène E proportionnel au rendement NEL Hydrogen : Electrolyseur alcalin
O2
H2
H+
Compacité
Rendement
Performance d’un électrolyseur => courbe I=f(E)
IrO2
Porous Ti
H2O Membrane
Idaho National Laboratory : Modules SOEC (17 kW)
LA PRODUCTION D’HYDROGÈNE PAR ÉLECTROLYSE Trois principaux types d’électrolyse : Technologie
Electrolyte
Température de fonctionnement
Pression de fonctionnement
Avantages
Bas cout (1000 €/kW)
Inconvénients Faible gamme de fonctionnement Compacité
Alcaline
PEM
Solution KOH
Membrane perfluorée sulfonique
70 – 100 °C
1 – 30 bars
Catalyseurs non nobles (0,2 A/cm²-0,5 A/cm²) robuste (durée de vie 7-10 ans)
80 °C
15 – 30 (200) bars
Large gamme de fonctionnement
Cout élevé (2000 €/kW)
Fonctionnement à forte densité de courant (0,8-2 A/cm²)
Utilisation d’IrO2 , de Pt et de Titane
Faible perméation des gaz
SOEC
Zircone yttriée (YSZ)
Faible perméation des gaz 800 – 1000 °C
1-10 (30) bars
Pression de fonctionnement faible
Rendement élevé (cout ?) Catalyseurs non nobles
Faible surface de travail Problème de cyclabilité (gestion thermique)
Filière hydrogène: état de l’art
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SOEC : UNE TECHNOLOGIE EN COURS DE DÉVELOPPEMENT System autonome : production 1 Nm3 H2/h (jusqu’à 2,5 Nm3 H2/h ) 1,2 Nm3/h H2 produit à 700°C (stack de 25 celllules) Rendement : 92%
Meeting title | Location, Date
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LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE
Stockage gazeux sous hautes pressions (200-700 bars)
Stockage liquide cryogénique (- 250 °C) Stockage sous hydrures métalliques Réservoir hydrure
Stockage sous hydrures chimiques (NaBH4, hydrazine) Stockage par physisorption sur matériaux nanoporeux (nanostructures de carbone, zéolithes…)
Réservoir hydrures chimiques
Réservoir 700 bar Réservoir cryogénique
Filière hydrogène: état de l’art
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LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE COMPARAISON DES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES
Filière hydrogène: état de l’art
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LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE RÉSERVOIRS SOUS PRESSION
Les différents types de réservoirs Type I
Type II
Tout métallique
Frettage sur virole liner métal sans soudure
1.0 to 1.5 kg/l*
0.65 to 1.3 kg/l*
Type III
Type IV
bobinage intégral + liner métallique
Bobinage intégral + liner plastique non structurant
0.3 to 0.45 kg/l*
0.3 to 0.45 kg/l*
* Fourchette de masse classique pour un design de 200 bar
Avantages du réservoir de type IV • pas de fragilisation à l’H2 • bonne résistance à la fatigue • faible masse • pression de service élevée •…
Coupe d’un réservoir de type IV Filière hydrogène: état de l’art
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LES APPLICATIONS DE L’HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Électrolyte Polymère Solide Cathode
100 µm
Anode
O2
H2
O2
(air)
plaque distributrice
H+
e-
eH+
H 2O
H2
collecteur de courant
H2O + O2
Électrolyte (Nafion)
H2O+ H2
Zone active (dépôt Pt)
AME
Zone diffusionelle (feutre carbone imprégné Nafion)
Chaleur Filière hydrogène: état de l’art
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LES DIFFÉRENTS TYPES DE PILE À COMBUSTIBLE Anode Electrolyte Cathode Ceramiques
SOFC 800-1000°C MCFC 600 – 650°C
H2, CH4, …
Carbonates H2, CH4, …
H2
DMFC / DEFC 80 110 °C
Methanol, ethanol
Alkaline FC 60 90°C
fondus CO3²-
O2/air O2/air
Acide Ph. (liq)
PAFC 160 220°C
PEMFC 60 80 150°C
O²-
H2 H2
H+
O2/air
Polymère H+
KOH (liq) OH-
O2/air
O2
LES APPLICATIONS DE L’HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE : LES APPLICATIONS ET LA TECHNOLOGIE
MCFC Stationnaire
PAFC Spatial Aéronautique
SOFC AFC
PEMFC Portable
DMFC Transport
Mini PAC 10 W
100 W
1 kW
10 kW
100 kW Filière hydrogène: état de l’art
1 MW | PAGE 19
RECHERCHE SUR LES PILES À COMBUSTIBLES DES NANOMATERIAUX AUX SYSTÈMES INTÉGRÉS Optimisation des procédés de fabrication Optimisation du taux d'utilisation du catalyseur
Matériaux
Electrodes
Assemblage membrane électrodes
Diminution (/suppression) de la quantité de catalyseur noble Augmentation de la conductivité des électrolytes et des propriétés mécaniques
Optimisation du design et de la nature des plaques distributrices
Plaques bipolaires
Intégration système
80 kW GENEPAC Stack
ZERO CO2 sail 35 kW PEMFC 10.5 kg H2 (350 bar)
EPICEA System (2,5 kW)
23 kW FISYPAC Stack
stack design Etat de l’art
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PEMFC : EVOLUTION DES PERFORMANCES Densité de puissance (W/mg Pt)
100
Augmentation de la densité de puissance spécifique Maîtrise des procédés de fabrication Meilleur compréhension des phénomènes ayant lieu au sein du générateurs
10 1
0,1
0,01
0,001 1950
Système complet 1960
1970
1980 1990 Année
2000
2010
2020
Augmentation de la densité de puissance volumique des piles Optimisation des AME Optimisation du design des plaques bipolaires | 22
PRÉSENTATION DE LA SOFC Principe de fonctionnement inverse à celui du SOEC Avantages : Tolérance au CO multi combustible (biogaz,CH4) réversibilité Inconvénients : Cyclabilité thermique SOFC couplé à une reformeur Biogas CH4/CO2 à l’entrée du reformer Gaz reformé à la sortie 44,8% H2 – 7,3% CH4 – 14,3% CO – 15,6% CO2 – 18% H2O
SOFC Fonctionnant sous CH4 avec reformage directe Fonctionnement en mode réversible
Reversible stack 25 cell Tstack = 700°C 50H2O/50H2
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MARCHÉ DES PAC
Domination du stationnaire et portable
Domination de l’Asie et Am. du Nord
Domination de la PEMFC, croissance des SOFC
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FUEL CELL INTEGRATION IN A UTILITY VEHICLE
5 kW Fuel Cell System
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A standard, mass-produced electric vehicle equipped with H2 range extender
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Presented @ Mondial de l’Auto Paris 2012
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First customer deployments (Solvay Group, in Tavaux, France) | 25
LA PLATEFORME MYRTE : CONCEPT DE BASE
Panneau photovoltaïque: 560 kWc, 2240 PV modules (3700m2) – 28 inverters SMA 17kW ●
●
Electrolyseur: 50 kW (PEM) – 10 Nm3/h
●
Pile à combustible : 100 kW (PEM)
●
Stockage gaz: H2 (1400 Nm3) & O2 (700 Nm3) – 35 bars
Stockage de chaleur: 400 kWh (eau + matériaux à changements de phase ) ●
Electrolyseur PEM 10 Nm3/h –50 kW
PEM Fuel Cell 100 kW
MERCI DE VOTRE ATTENTION
HTTP://WWW.CEA.FR/CONTENT/DOWNLOAD/137421 /2531450/FILE/RAPPORT-ANNUEL-CEA-2013.PDF | PAGE 27 CEA | 10 AVRIL 2012
Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Grenoble| 38054 Grenoble Cedex 9 T. +33 (0)4 38 78 55 36 | +33 (0)6 75 09 68 06 Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019
DRT DEHT
DOE: ÉTAT DE L’ART ET OBJECTIF
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DOE: ÉTAT DE L’ART ET OBJECTIF
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ÉMISSION DE CO2 ET COMBUSTIBLE
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CEA STRATEGY FOR PEMFC STACK AND SYSTEM INDUSTRIALISATION Evaluation of stack production cost at different production rates
Meeting title | Location, Date
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