Les Technologies Hydrogène pour la mobilité

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1 Les Technologies Hydrogène pour la mobilité Présentation faite à l occasion du Colloque HYDROGÈNE : NOUVEAU CARBURANT POUR LE TRANSPORT EN AUVERGNE Circuit Charrade Le 22 juin 2018 F. Le Naour CEA LITEN 1

2 La mobilité hydrogène, plus qu un véhicule 2

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4 Le paradoxe de l hydrogène L hydrogène est l élément le plus abondant de la planète pourtant il n existe pratiquement pas à l état pur dans la nature L hydrogène est d ailleurs l ancêtre de tous les autres éléments. PRÉSENT PARTOUT MAIS DISPONIBLE NULLE PART les hydrocarbures la biomasse l eau 4

5 Les technologies d électrolyse Des systèmes d électrolyse alcaline et PEM déjà commerciales 5

6 L électrolyse TECHNOLOGIES avancée HYDROGENE à haute température SOFC / SOEC / Coélectrolyse Stack EHT 25 cellules Assemblage céramique-métal Performance de -1.6 A/cm² à 1.3V 1.7 Nm3/h d H2 produit Meilleures performances mondiales 20 brevets 20 publications 6

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8 Les station TECHNOLOGIES services HYDROGENE 350 et/ou 700 bars 8

9 Les stations-service -les points durs La compression : l hydrogène n est pas un gaz parfait P= 940 bars 400 bars P= qqbars Réservoir véhicule Réservoir station T < 40 C La distribution : le facteur de Joule Thomson s inverse vers 400 bars Procédé ERGOSUP : utilisation d une solution électrolyte de synthèse, composée d eau et de sel de zinc. Production directement en pression jusqu à 200kg/j. 9

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11 Stockage de l hydrogène : dans quel état? Solide Gaz Liquide 20.3K = -253 C adsorption absorption 11

12 Stockage de l hydrogène : avantages / inconvénients Solide Liquide Gazeux Avantages Sécurité Capacité volumique Géométrie flexible Pertes minimes Commercial Capacité volumique Infrastructure existante Cinétique rapides Commercial à moyenne pression Cinétique rapides Coût Sécurité capacité massique Sécurité Sécurité (700b) progrès à réaliser (coût) Pertes Capacité volumique cinétiques Energie liquéfaction (30%) Compression (15%) pression 200 bars hydrures Mg LaNi5 liquide liquide 12

13 Stockage de l hydrogène : par voie gazeuse 4 types de réservoirs les types I sont entièrement métalliques les types II sont métalliques avec un frettage (en principe en fibre de verre) sur leur partie cylindrique exclusivement les types III sont en matériau composite, initialement en fibre de verre et de plus en plus en fibre de carbone "liner" : aluminium et acier inox depuis peu les types IV sont des réservoirs composites principalement en fibre de carbone "liner" est en polymère thermoplastique polyéthylène ou polyamide III IV 13

14 Stockage de l hydrogène : par voie gazeuse Type IV 14

15 Une feuille de route sur le développement des réservoirs sous pression 15

16 Une alternative, les LOHCs(LiquidOrganicHydrogen Carriers) 16

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18 Les moteurs ICE à hydrogène Si l'utilisation de l'hydrogène comme combustible dans un moteur thermique a pu, un temps, apparaitre comme une solution intéressante, tant sur le plan technique qu'économique du fait de l'utilisation d'une technologie à faible coût et mature (le moteur thermique), elle se heurte à plusieurs problèmes : performances environnementales limitées (émissions de NOx), nécessité d un système de dépollution, nécessité de développer une technologie spécifique (injection haute pression d hydrogène, suralimentation), ce qui reste très coûteux pour aboutir à un moteur commercial (ordre de grandeur : 1 milliard euros), Réglages très pointus du fait des risques d autoallumage Problème des matériaux de cœur de moteur sensible à l hydrogène 18

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20 Le principe de la pile à combustible Électrolyte Polymère Solide 100 µm O 2 (air) Cathode H + Anode H 2 plaque distributrice e- e - O 2 H 2 O H + e - H 2 collecteur de courant H 2 O + O 2 H 2 O+ H 2 Électrolyte (Nafion) AME Chaleur Zone active (dépôt Pt) Zone diffusionelle (feutre carbone imprégné Nafion) 20

21 L architecture d une pile PEMFC H 2 Air Module Assemblage filtre-presse Cellule élémentaire Plaque bipolaire Assemblage membrane-électrodes Composants, électrodes et AME Composants et module de 300 W Module PEMFC de 1 kw pour véhicule sous-marin 21

22 L architecture d un système PEMFC pour la mobilité Fabrication module Système Pile à Combustible Convertisseur DC/DC Condenseur d eau Électrolyte polymère Pile à combustible Circuit électrique Circuit d hydrogène Circuit d eau Circuit d air H 2 O (eau) Humidificateur Radiateur Pompe à eau H 2 (hydrogène) Intégration module O 2 (oxygène) Carburant : Méthanol Éthanol Essence Gasoil Reformeur CO 2 (gaz carbonique) 22

23 Feuille de route R&D de la pile à combustible 23

24 Le véhicule range-extender Un véhicule électrique à batterie avec un prolongateur d autonomie à pile à combustible Modèle de déploiement de flottes de véhicules utilitaires autour d une station-service 24

25 Le véhicule full power Un véhicule électrique dont le moteur électrique est directement alimentée par la pile à combustible Modèle de déploiement de flottes de véhicules type taxis autour d une station-service 25

26 Plan d action industriel Nouvelle plateforme fourgon pour l électromobilité L hydrogène permet d emporter plus d énergie dans moins de poids et moins de volume qu une batterie. Une hybridation des deux technologies est donc à optimiser pour répondre aux différentes missions. Concevoir et développer un véhicule de la gamme 3,5 tonnes, avec la PFA, PSA et les équipementiers automobiles Ce véhicule autorisera les missions à grande autonomie et/ou à usage intensif. Ce type de véhicule adresse de nombreux segments de marché Véhicule livraison dernier kilomètre en sites urbains et périurbains Véhicules d intervention technique des opérateurs de réseaux (EDF, ENGIE, Orange,..) Véhicules d intervention de secours (SAMU, SDIS,..) Véhicules de transport de passagers (9-17 places) autorisés à rouler sur routes et autoroutes (contrairement aux bus). Accroitre l offre de véhicules de flottes 26

27 Merci pour votre attention 27