La filière Hydrogène. Paul Lucchese. Chef de projets «Hydrogène et Pile à combustible»

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1 La filière Hydrogène Paul Lucchese Chef de projets «Hydrogène et Pile à combustible»

2 Vision 30 ans: Hydrogène: Un nouveau vecteur énergétique?

3 Eléments structurants dans le domaine de l énergie Livre Vert de la Commission Européenne des besoins croissants : 2.5 à 3% par an dans le monde! autonomie énergétique, sécurité d approvisionnement exigences environnementales : le réchauffement climatique, risque majeur pour l environnement Livre Blanc de la Commission Européenne inscrire les transports dans une logique DD -Directives Européennes: - sur l électricité passer de 15 à 21% à partir d EnR en sur les biocarburants: 5,75 % en Favoriser la cogénération Conseil des Ministres Européens Energie accord sur ouverture totale des marchés du gaz et de l électricité dès 2004 pour les professionnels Programme «Energie intelligente» (URE, EnR) adoption de la directive sur l efficacité énergétique dans les bâtiments suivi de Johannesburg (coopération internationale énergétique) France: - Débat sur l énergie en France Loi de programmation -Volonté France diviser par 4 les GES en 2050

4 Illustrations en Europe et en France T/Inhabitant/year Mtep Consommation GHG emissions/inhabitant USA Germany UK Japan France EUROPE DES Nuclear 37% Hydro+ biomass 7% Production (kt) Emissions de CO en FRANCE Parc nucléaire Gas 12% French Energy Mix Primary energy repartition industrie habitat transports Coal Oil 38%

5 Le secteur des transports routiers en France représente plus du quart des besoins énergétiques responsable d une part importante des émissions de CO2(33%) Voies à développer pour diminuer la dépendance aux hydrocarbures dans ce secteur : 3 tonnes de CO 2 /an/voiture! nouvelles technologies moteurs/carburants les biocarburants la voiture hybride l hydrogène, nouveau vecteur énergétique, et son utilisation dans des PAC

6 La Filière Hydrogène Généralités

7 L hydrogène, vecteur énergétique de l avenir Un carburant qui pourrait peu à peu s imposer, en particulier pour les transports (piles à combustibles), pour lutter contre l effet de serre Il faut privilégier dans sa production les méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre Il est pratiquement inépuisable Comment le produire? Comment le stocker et le transporter? Comment et où l utiliser?

8 Biomass CO 2 Reforming Hydrocarbon Methane Methanol CO 2 Integrated reforming CO 2 Hydro plant Water Safety and normalisation Internal reforming H 2 CO 2 CO 2 CO 2 H 2 Fossil energy Thermal plant Coal, gas, oil Renewable energies Electrolysis Transportation Storage - high pressure - hydrides - micro-spheres - nanotubes - water Fuel cell Nuclear plant Thermochemic al cycles Filière Hydrogène

9 Pourquoi l Hydrogène ne s est pas encore imposé? Une double innovation un nouveau carburant 4 /litre! Un nouveau moteur. Prix: (0)! Reforming Distribution Storage H 2 REMPLISSAGE? Sous les conditions Sûreté d utilisation, respect de l environnement, sécurité d approvisionnement

10 Les transports: Les grandes applications des piles à combustibles Grand public: scooter, automobile 5000h, 50 kw!!! Transports publics, maritimes, poids lourds, trains, spatial, aéronautique Le stationnaire: fiabilité(> h), coût /kw Avec ou sans cogénération Résidentiel, isolé ou connecté Décentralisé Les niches: Militaires, sites isolés, UPS, portables, géné de secours Les mini et micro Piles Teléphones cellulaires, PDA, Ordinateurs

11 Les applications de Piles à Combustible Spatial & Militaire Transport: Automobile APU Stationnaire Résidentiel MCFC AFC SOFC PAFC Gros Stationnaire Micro PAC Portable Mini PAC PEMFC Transportable Transports Publics/ Flottes captives Transport: Automobile traction 10 W 100W 1 kw 10 kw 100kW 1 MW

12 Scénario 2010 Démonstrations Marchés Peugeot(Octobre 2002) Flotte Véhicules utilitaires, bus (H2) Secours, stationnaire Premiers Vp (Reformeur) 6% de biocarburants

13 Les générateurs portables Ensemble intégré pile à combustible et réservoir d hydrogène Axane (foire d Hanovre, avril 2003)

14 Daimler-Chrysler Chrysler/Ballard Meilleure intégration Necar 1 (1994) PEMFC de 50 kw (12 modules), alimentation H 2 le programme Necar Necar 3 (1997, Classe A) PEMFC de 50 kw (2 modules), alimentation méthanol Necar 2 (1996, Classe V) PEMFC de 50 kw (2 modules), alimentation H 2 Necar 5 (2000, Classe A) PEMFC, alimentation méthanol

15 Sûreté, Economie, Sûreté, codes et standards Etudes de sûreté essentielles (tests, capteurs H2,..) Nouvelle réglementation (véhicules H2 et infrastructures) Economie Un nouveau vecteur énergétique doit être compétitif par rapport aux autres sources d énergie, ou doit offrir de nouveaux services. Aspect socio-environnemental Ananyse du cycle de vie acceptabilité, éducation, formation

16 Infrastructure Hydrogène Une quarantaine de stations d approvisionnement H 2 dans le monde Aéroport de Munich (1999) Berlin (octobre 2002) Quelques démonstrations en cours dans des flottes de transport (CUTE, Clean Energy Partnership Berlin, )

17 Mercedes-Benz : 30 bus Citaro dans 10 villes européennes (projet CUTE)

18 La Filière Hydrogène Aspects Economiques, Environnementaux, Energétiques

19 Hydrogen Production Compression Hydrogen Distribution&Delivery Hydrogen revovery Technologies Liquefaction HYDROGEN Infrastructure: Transport pipeline Supply Chain of H kms pipe Hydrogen Storage Transport routier Hydrogen Transport

20 Intérêts potentiels de l hydrogène Intérêt principal Filière H2: Long terme(> 30 ans): Vecteur d énergie et substitution des énergies fossiles pour les transports et (stationnaire): Sécurité et Durabilité de l approvisionnement énergétique croissant au niveau mondial Solution aux contraintes environnementales globales (GES) et locales (bruit, émissions) Cadre: Autre économie de l énergie, autres coûts de l énergie, prise en compte de plusieurs critères d évaluation (technico-éco, environnementales, socio-éco) Intérêts secondaires importants, à court/moyen terme(<30 ans): Production/transport d hydrogène: Raffineries, extraction pétroles lourds, procédés industriels sidérurgie, chimie Synthèse carburants liquides, biomasse (besoin d ajout en H2) Pile à combustible: Stationnaire: Cogénération décentralisé: Couple SOFC/gaz naturel, Couple SOFC/gaz de synthèse, Systèmes isolés Systèmes de secours, UPS, militaires, transportables APU (transports terrestres, aéronautique, spatial ) Systèmes professionnels: flottes captives terrestres, maritime.. Micro/Mini piles: systèmes nomades, NTIC Optimisation rendement des énergies intermittentes (Eolien, PV) par Système Stockage H2/ Pac

21 H2 Production Road map Demand (High level group on hydrogen hypothesis) Tensions due to oil price increase 500Bn M3/y 500Bn M3/y Refinery Petro/Chemical Ammonia Steel Production 500Bn M3/y OTF: 25 BnM3/y ( World ) Fleets, Niches ( Europe) 2 Bn M3/y 20 Bn M3/y 40 Bn M3/y Cars Stationnary (Need for Europe only ) Bn M3/y 400 Bn M3/y?

22 Hydrogène : procédés actuels de Production 18% Sources d'hydrogène actuelles 4% 48% Gaz Pétrole Charbon Eau Combustibles fossiles (reformage) 30% Production actuelle : 500 milliards Nm3 par an: * Seulement 4 % est commercialisé (OTF) *seulement 1% de la production utilisé pour l énergie(spatial) besoins très importants d hydrogène pour le futur

23 Production of hydrogen for the future Production of Hydrogen

24 Valorisation énergétique de la biomasse Diester: t produit en France en 2000 RESSOURCES Plantes oléagineuses huiles diester (colza, tournesol) Betteraves, Céréales fermentation éthanol ETBE t produit en France en 2000 Ligno-cellulosique hydrolyse enzymatique sucres éthanol gazéification CEACO + H2 carburants combustion CNRS IFP hydrogène combustion Déchets fermentation biogaz

25 Considérations énergétiques

26 Efficiency of Hydrogen Production Conclusion: High Temperature Processes are the only way to produce hydrogen with high efficiency!

27 H2 Production Road map Supply Time Reforming W CO2 Sequestration Coal gasification Allothermal Processes Connecting Strategy Steam reforming Catalytic cracking Coal gasification TC/EHT water splitting Solar or nuclear H T R&D Phase HT Solar HTR + TC/EHT Industrial Deployment Centralized Biofuels Gasification Others centralized Renew Decentralized (Electrolysis) PEC & Biological Proc??

28 Le coût énergétique de la filière Hydrogène La production long terme photovoltaique Source Solaire Basse température Photoelectrolyse Bioproduction Rendement < 20 % Invest Faible Source Haute température Nucléaire, solaire, géothermie Turbine à gaz Electrolyse haute température Craquage direct + Carbone biomass Garéïfication e - H 2 e - Cycles thermochimiques, thermophysiques H 2 Electricité Mauvaise solution pour la production massive Electricité Stockage et carburants Hydrogène Electrolyse basse température : Rendement énergie primaire: % Invest Fort Stockage et carburants Hydrogène Rendement > 50 % Invest Fort

29 Le coût énergétique de la filière Hydrogène Energie compression Energie pour le transport par route Titre du graphique Energy needed for H2 road delivery % HHV H Compression energy to HHV Logarithmique (Compression energy to HHV) Energy consumed % to H2 HHV H2 gas 200 bar H2 liquid Gasoline Final pressure MPa One way delivery distance Energie liquéfaction Liquefaction Energy efficiency Energie transport pipe line Energy losses in an Hydrogen pipeline Liquefaction energy % HHV Liquefcation Energy % HHV Energy losses % HHV Hydrogen Methane H2 Liquefaction capacity (Kg/h) Distance from pipeline origin Des Optima sont à trouver!!!

30 Comparaison de l efficacité énergétique de véhicules Energy efficiency of vehicles FC Hybrid Target FC Hybrid FC vehicle Série1 gasoline-hybrid(prius) Gasoline 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

31 Considérations économiques

32 Coût de la production massive d hydrogène Relative cost H 2 18 /GJ (3 /Kg) Electrolysis with low costs electricity production Today (5-6 c/kwh) 12 /GJ (2 /Kg) Thermochemical cycles HT Electrolysis Biomass Gasification HT External heat+ Reforming CO 2 Captation: 0,3-0,6 /Kg? Oil-NG price increase: If X 2 >> + 80 % H2 price for large SM + 50 % for small SMR Small reformer 6 /GJ (1 /KG) kwh or heat not expensive Large SMR Reforming Today CO 2 emissions

33 Coût de production Prix de l'hydrogène à la production en fonction du prix de l'énergie Prix H2 ($/GJ) Prix gaz nat actuel Prix Elec 6c /kwh Prix H2-gaznat ($/GJ) Prix H2-elec ($/GJ) Prix H2-Charbon ($/GJ) Prix H2 biomasse Prix Energie primaire ($/GJ)

34 Coût de la Chaîne Hydrogène? On Multiplie le coût de production par un facteur entre 2 et 4 Paramètres influençant le coût final - Prix énergie - Prix du procédé - Maturité technologique -Taux d utilisation des stations -Nombre de stations -Pureté H2 - Coût de transports - Coût Distribution : Main d oeuvre Sécurité Stockage Compression -Maintenance /GJ Reforming Water electrolysis Storage-distribution Cost Production costs Final cost distribution * Storage Transport by pipe Cost Pipe Transport Centralized Production

35 Considérations Emissions CO2

36 Emissions comparées de technologies véhicules CO2 emissions of vehicles FC Hybrid Sustainable FC Hybrid Série1 gasoline-hybrid(prius) Gasoline 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

37 Décomposition des émissions de CO2 suivant la technologie CO2 Emission decomposition for Gasoline Vehicle CO2 emission for FC hybrid vehicle Others 10% Vehicle production 6% Vehicle production 14% Material production 12% Material production 33% Vehicle production Fuel Driving Material production Others Vehicle production Fuel Production Material production Fuel Driving 72% Fuel Production 53%

38 Conclusions sur le coût énergétique et économique H2 Chaîne H2 Optima à trouver : toutes les voies ne sont pas équivalentes Rapport Energie sortie production/energie délivrée: 1,5-1,6 (Pétrole: 1,1 à 1,2) Rajouter facteur de conversion Energie primaire-h2 produit (50 % espéré pour les voies hautes températures) Chaque solution doit être étudiée du puits à la roue sur l ensemble des critères Le paramètre clé est disponibilité et la durabilité de la source primaire Quelques enseignements: Idée probablement fausse d un réseau commun Hydrogène centralisé/décentralisé avec toutes énergies/tous modes Intérêt faible de la production/distribution d hydrogène pour la production d électricité en décentralisé A long terme: avantage pour la production massive + réseau de distribution

39 La Filière Hydrogène Pertinence de la Filière

40 Rappelons les verrous de la filière Hydrogène en 2002 Coût Carburant à la pompe trop cher et peu disponible : Quelle énergie primaire? Durabilité de l approvisionnement en énergie? Centralisé/décentralisé : Procédés et Chaînes associés? Technologie de conversion (Pile à combustible) trop cher!! Pac fiable et à 50 /kw Pas de stockage embarquée pour une autonomie correcte Compacité-Poids Coût Sécurité/Acceptabilité pas démontrées, Normes pas existantes Densité énergétique de carburants L avantage des carburants liquides HHV (GJ/m3) Série Hydrogen 200 bars Hydrogen 800 bars Liquid H2 Methane 200 bars Mathane 800 bars Ethanol Octane

41 Autres scenarios possibles sans Hydrogène France (Scenario 30 ans, GES /3, Groupe CG Mines pour le 1 er ministre Octobre 2003 ) Monde (Scenario R.P. Bauquis 2050 et U Bossel) Stabilisation de la consommation énergétique Doublement de la part de l électricité: 20% à 40 % Véhicules bi-énergie Bois chauffage: 15 % Biocarburants: X par 60 (20 Mtep) Diminution du gaz par 3 Autres ENR: 5% Pétrole: 15 % au lieu de 48% Scenario très «français» Verrous à lever également Nucléaire Doublement consommation % énergies fossiles 8 % renouvelables 22 % nucléaire (X 9) Transports: Accroissement part l électricité : 0% à 25 % Carburants synthétiques 25% Biocarburants: 25 %

42 Conclusions Scénario Hydrogène ouvert, malgré ses verrous: Pollution locale, bruit Pas de séquestration délicate du CO2 à long terme Tous les scénarios ont des points durs Il y aura des applications Hydrogène et Piles à combustible de toutes façons : Tous les scénarios ont au moins besoin de production massive d hydrogène Les Piles à combustibles ont des marchés hors Hydrogène Importance des analyses multicritères et Well-to-wheel Dans la recherche d optima Dans le pilotage de la recherche Retombées indirectes de l effort de recherche Scenario Hydrogène: Avantage d un consensus international sur l hydrogène Implication des gouvernements OCDE Volonté gouvernement français

43 Enjeux et engagement des acteurs

44 Dynamique internationale sur l hydrogène «vecteur énergétique» DOE, DOD : Freedom Car et Hydrogen Fuel Initiative (350 M$/an), SECA (25M$/an) Total Public: 500 M$/an Implication du gouvernement constant (G Bush) Japon : H2 Fuel Cell Project (>300 M$/an) Canada : Alliance canadienne sur les PAC transport, Carte routière canadienne sur la commercialisation des PAC Australie : Plan National lancé en 2003 UE : consensus sur l hydrogène comme composant d une politique DD (FP6 : 50 M /an plate-forme européenne) Total Europe: M /an Initiatives nationales : Allemagne (>30M/an), GB, Italie (27 M /an), France (10 M /an) Road Map : nationales: USA, Japon, GB, Canada Road map en préparation: Europe, Inde, Italie, Allemagne

45 Comparaison des efforts publics de R&D sur H2 et Pac Government Funding (Source E4Tech, 2003) M 250 Fuel Cell Companies in the World Others 8% USA Japan Canada EU Germany France UK Total Europe Asia 22% North America 45% Europe 25%

46 FRANCE Min Défense Min Agriculture AGRICE Min Environment Predit Programme France H2 et Pac Groupes Energie GES Réseau Paco Groupe Paco H2 MinTransport MEFI DGEMP, DIGITIP MENRT DT Adhesion France Hydrogen Consulting Group INTERNATIONAL IEA International Agreement on H2 IPHE Initiative US DOE Washington 20Novembre 2003 Organismes R&D Industriels HYFRANCE High Level Group European H2 Plat-form Strategy & H2 Roadmap Projets régionaux HYWAYS HYNET EUROPE IP and NoE

47 Moteurs de la politique Hydrogène En Europe et en France: Directives EnR Directives Carburants alternatifs et biocarburants Directive cogénération Reforme de la Pac et OMC En France: Objectifs véhicules propres Objectifs diminution GES par 4 en 50 ans Politique nationale de développement durable Adhésion gouvernementale à la volonté internationale H2 (C Haigneré, N Fontaine, R Bachelot) Plan national H2/Pac préparation Programme France H2 et Pac Volonté de coopération Internationale

48 Aspects Production H2 Reformage: Priorité sur le reformage de petite capacité, soit embarqué, soit à terre actions nombreuses USA, Canada, Europe : beaucoup de PME, projets Actions importantes séquestration CO2 et gazéïfication du Charbon Programme DOE USA Programme Italie Actions sur les voies PEC et biologie: Suisse, Australie, Allemagne Fédération via IEA, IA H2 Voies Gazéïfication biomasse: Actions importantes en Finlande, Allemagne, Danemark, Autriche Procédés Haute température Gen IV (France, USA), Japon Europe (INNOHYP, Hythec, H2Hi) Solaire haute température: Allemagne, Italie, Australie, (Espagne)

49 Some facts on French Activities on Hydrogen and fuel cells National Program on Fuel cells: French National network «Paco» (from 1999): Industry/Research co-funded projects: : 40 projects, 80 M expenses, 34 M public funding Support from Ministry of research (MENRT), Ministry of Industry (MEFI) and ADEME (french Agency for Energy saving and Renewable) About 10 M / year funding Thematics: PEMFC, DMFC R&D (components, stacks development) for transportation, portable and stationnary SOFC projects: Low temperature material, internal reforming Tests of FC and system (demonstration of residential applications ) APU with DELPHI) Hydrogen production, Reforming: SME like N-G hy Solid alcaline fuel cell (SAFC), DEFC (Direct ethanol fuel cells) Microfuel cell Hydrogen storage Others National programme: PREDIT (Transport), Agrice (biomass) Main research centers involved in national, european : CNRS, CEA, IFP, Universities, Ecole des Mines Others projects not in Network Paco : Thermochemical cycles (Generation IV), Biomass,Biological and Photoelectrolysis, fundamental research programme (CNRS, CEA), National Plat-form for FC system test in Belfort Some regional projects: Rhone Alpes, Centre, Aquitaine, Lorraine Industrial private programme: PSA, Renault Nissan, Total

50 Main french companies involved in Hydrogen: Air Liquide: World leader in Industrial gases and hydrogen: Hydrogen Chain development (production, storage, delivery) PEMFC fuel cell with Axane (subsidiary): portable, UPS, residential Car makers: Peugeot: development of range extender (2005), development of PEMFC power unit for 2025, interest for storage Renault-Nissan: APU( ) PEMFC system for traction (Both in Japan and France) Irisbus company: Citycell AREVA (world leader in Nuclear industry): PEMFC fuel cell with Helion (subsidiary) for military applications, niche markets, residential and Framatome for the nuclear processes for hydrogen production Sagem for micro and small power fuel cells, Thales, Bertin, EADS, Snecma Alstom: SOFC (Stop in 2002), Tramway (Fulltram project) Utilities: EDF (world largest company for electricity production, distribution): SOFC and PEMFC residential tests and survey (EDF Fuel cell research center in Karlsruhe with its subsidiary EnBW), Study of virtual plant, networking of fuel cells. Interest for use of nuclear energy for H2 production Gaz de France: strong interest and research team in SOFC for residential and cogeneration, participation in different IAE annex, interest for the use of NG delivery system for transition phase (EC NATURALHY Project), use of H2/NG mixture and reforming system Dalkia (services in water, energy ): interest and projects in cogeneration system (5-250 kw) Oil company: Total, involved in different projects (Berlin) and in reforming activity

51 Conclusions : -Grand mouvement international structuré sur l Hydrogène avec une volonté politique des Etats -Développement prochain d un programme national intégré : - au sein de la Plate forme européenne -au sein de la coopération internationale -Points forts de la France -Filière Basse température en Europe -Production Hydrogène -Stockage H2 Haute pression -Intérêt national : SOFC, Biomasse -Importance de développer les études technico-éco et environnementales

52 High Level Group on Hydrogen and Fuel Cell Technologies Joint initiative of Vice President de Palacio and Commissioner Busquin Very senior representatives from major European automotive and energy companies, SME, research centers, utilities, policy makers and users association Informal body, advisory role, not owned by Commission Advise on prospects for, and economic impact of, moving towards a sustainable energy economy based on hydrogen and electricity using FCs as energy converters

53 High Level Group Members FC stacks, component, systems Hydrogen infrastructure Car industry Research Energy companies Utilities Public authorities Users Ballard Air Liquide Daimler Chrysler CEA Norsk- Hydro Sydkraft Iceland Parliament UITP Johnson- Matthey Vanden Borre Renault CIEMAT Shell Nuvera ENEA Rolls- Royce FZJülich Siemens Solvay

54 Five Actions High Level Group Report: Main Recommendations European Political Frame for fostering new hydrogen and fuel cell technologies Strategic Research Agenda Deployment Strategy A European Hydrogen and Fuel Cell Technology Partnership, steered by Advisory Council European Roadmap for Hydrogen and Fuel Cells

55 High Level Group Report: Coordinating policy measures for a European Political Frame - 1/2 Support needed (fiscal, regulatory) for demonstration and deployment projects; Promotion of energy efficiency measures Support for infrastructure design, planning and assessment of viability at various stages of market development Remove regulatory barriers to commercialisation of hydrogen and fuel cells

56 High Level Group Report: Coordinating policy measures for a European Political Frame - 2/2 Review and develop codes and standards to support commercial development Simplification/ harmonisation of planning and certification requirements Assessment of alternative mixes of policy measures International co-ordination of policy development and deployment strategies

57 Draft diagrammatic representation of the European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform Commission H2 Project (Inter-service Group) HLG Vision H2/ FC TECHNOLOGY PLATFORM Member States Mirror Group Advisory Council Executive Board TP Secretariat Information Office IT Support Service Steering Committees : Strategic Research Agenda Deployment Strategy H2 Roadmap Policy Framework International Co-operation Initiative Groups : Public awareness Safety, codes & standards Business development Education & training PLATFORM OPERATIONS New and on-going projects and initiatives (EC + MS national, regional and local) GENERAL ASSEMBLY (Bi-)annual Technology Platform Forum

58 International Cooperation Hydrogen co-ordination group created by IEA Bilateral co-operation agreement in place (or under development) with U.S., Japan, Canada, Russia, China, The U.S. International Partnership for The Hydrogen Economy (IPHE)

59 The International partnership for the Hydrogen Economy (IPHE) - 1/2 U.S. lead initiative (CLSF, GENIV model); U.S. will only invite committed partners (on going contacts with EC as well as Member States) Ministerial meeting in Washington in November 2003 Main goal: Provide a mechanism to organise and co-ordinate multinational RTD+D programmes. Also: develop interoperable standards and address non technical (institutional, financial) barriers EU-US Summit 25/06/03: President Prodi agreed joint statement on behalf of the EU to collaborate on accelerating the development of the Hydrogen economy, by providing a strong and broad foundation for the IPHE

60 Production d Hydrogène par Photoelectrochimie Solar To Hydrogen Conversion Efficiency η~ 3% (compared to ~ 6% with latest, doped- WO 3 lab-cell) 100mm x 100mm WO 3 photoanode tile sample by H 2 -Solar (UK), University of Geneva as well as Solaronix (both CH)