LES PILES A COMBUSTIBLES

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1 LES PILES A COMBUSTIBLES Générateurs d électricité et chaudières du 21ème siècle? Jean Jacques BEZIAN Ingénieur de recherche, HDR Enseignant chercheur à l Ecole des Mines d Albi

2 Plan de la présentation Introduction Principes généraux de fonctionnement Types de piles Applications transport Applications stationnaires Acteurs du domaine Conclusions Sites utiles 2

3 Vecteur électricité Introduction Applications captives (dont info et télécoms) Facilité de transport Stockage efficace mais coûteux Problèmes environnementaux Rejets des moteurs thermiques Emissions de polluants (NOx, SOx, COx...) Bruit Développement d un nouveau générateur d électricité non polluant (et silencieux) 3

4 LA PILE A COMBUSTIBLE PRINCIPES GENERAUX Principe connu dès 1840, inverse de l électrolyse H 2 + 1/2 O 2 donne H 2 0 et électricité Largement utilisé dans les programmes spatiaux, mais utilisation de catalyseurs nobles 4

5 LA PILE A COMBUSTIBLE PRINCIPES GENERAUX Schéma d une pile H 2 /O 2 (air) Anode e - Charge e - Cathode H 2 O 2, N 2 H 2 O H 3 O + H 2 O, vapeur et liquide, H 2 Electrolyte O 2, N 2 H 2 O, vapeur et liquide 5

6 Détails techniques 6

7 La première pile européenne Système d'humidification Plaques de soutien Plaques bipolaires non refroidies EMA Plaques bipolaires refroidies 45 cellules actives en série Pile PEM de 10 kw 7

8 Piles commercialisées Ballard Mark 1020 ACS, de 300 W à 5 kw 8

9 Systèmes complets Du combustible (GN, H 2, ) à l électricité 5 kw Axane 9

10 LA PILE A COMBUSTIBLE Caractéristiques générales Pas de limitation du cycle de Carnot Rendement électrique : jusqu à 60 % sur PCI A peu près constant de 50 à 100 % du nominal Pas d effet de taille (du mw au MW) Si H 2 et O 2 (ou air) seul rejet : eau Densités volumiques de puissance : 3 à 4 kw/kg Durée de vie : > heures (PAFC) Pas de pièce tournante, pas de bruit 10

11 Puissance et efficacité d une pile Selon la courbe courant tension, choix d un point de fonctionnement nominal 11

12 TYPES DE PILES AFC Alcalines (AFC) Missions APOLLO Electrolyte : Potasse Température : 60 à 80 C à P = 1 atm. jusqu à 230 C à P supérieure Catalyseurs non précieux (Nickel) Sensibilité au CO 2 : à éliminer Taille unitaire max. : 500 kw (projet) Pas à la mode, mais de gros potentiels 12

13 Pile alcalines Quelques petites firmes s y intéressent : Independant Power, CENERGIE Pile standard de 6 kw, pouvant fonctionner à 25 C Sur des taxis londoniens 13

14 TYPES DE PILES - PEMFC A membrane polymère (PEMFC) Electrolyte : membrane solide acide Température : 80 à 90 C à P de 1 à 4 atm. Catalyseurs précieux (Platine : 0,25 g/kw) Sensibilité au CO : quelques ppm seulement (sinon pollution des sites réactionnels) Taille unitaire max. : 250 kw De gros potentiels en transport et en stationnaire 14

15 Les PEMFC Principaux fabricants : Nuvera (DNP Italie), Ballard (Canada) 15

16 PEMFC BALLARD Premier fabricant au monde (600 personnes) Toutes cibles (transport, secours, portables ) 16

17 TYPES DE PILES - PAFC A acide phosphorique (PAFC) Electrolyte : acide phosphorique liquide Température : 180 à 210 C à P : 1 à 6 atm. Catalyseurs précieux (Platine : 0,25 g/kw) Sensibilité au CO : 1 % admis en volume Taille unitaire max. : 200 kw Près de 200 installations Technologie qui serait obsolète 17

18 TYPES DE PILES - MCFC A carbonates fondus (MCFC) Electrolyte : carbonate Li et K fondus Temp. : 600 à 700 C à P : 1 à 6 atm. Catalyseurs (à base de Ni) Insensible aux polluants : CO Taille unitaire : 240 kw (MTU), 300 kw (FCE) Possibilité de réformage interne, et de cogénération avec 85 % de rendement Développement faible 18

19 TYPES DE PILES - SOFC A oxydes solides (SOFC) Electrolyte : ZrO 2 et Y 2 O 3, tubes ou plaques Température : 850 à 1000 C - > 650 C Catalyseurs (à base de Ni et oxydes) Insensible aux polluants Taille unitaire max. : 25 kw Réformage interne Les plus gros espoirs (efforts de recherche) en production stationnaire 19

20 Première SOFC «commerciale» Sulzer (CH) 1 kw ; 30 % efficacité 20

21 SOFC - Siemens Westinghouse 220 kw GT-FC hybrid system 21

22 TYPES DE PILES - Synthèse Basses températures : AFC et PEMFC Démarrage «instantané» Sensibilité aux polluants : H 2 pur Moyennes températures : PAFC Démarrage long (5 heures) Compromis actuellement commercialisé Hautes températures : MCFC et SOFC Démarrage long Fortes densités de puissance Divers combustibles Possibilité de cycles combinés 22

23 Synthèse Typologie des différentes piles à combustible 23

24 Applications automobiles Voiture électrique à autonomie > 400 km Projets constructeurs, prototypes Piles PEM : 30 kw, combustible embarqué Pile = production d électricité à bord 24

25 Rendements aux roues A partir des carburants bruts 25

26 Pb de la mise à disposition d hydrogène 26

27 Quel combustible pour le transport automobile? Piles «froides» : inertie thermique Combustible = hydrogène Autonomie = moteurs thermiques > 500 km Temps de recharge : quelques minutes Comment stocker l hydrogène à bord? Liquide (- 250 C) Sous pression (>500 bars) Nanostructures de carbone Dans un composé chimique (NH 3, C n H m ) 27

28 Stockage d hydrogène Contraintes réglementaires et craintes sociales (effet Zeppelin) ; réseau de distribution Réservoir liquide Isolation 3 x volume du liquide Pertes thermiques : dégazage Flottes captives uniquement Recharge longue et complexe Sous pression Coût énergétique Problème de sécurité Bouteilles en échange standard Nanostructures (matériaux divisés) 28

29 Dans un composé chimique Nitrogéné : NH 3, N 2 H 4 : toxicité, acceptation sociale et réseau de distribution Essence : intérêt : accepté et réseau de distribution partout Biocarburants : renouvelables Problème : réformage à bord C n H m + 2n H 2 O -> n CO 2 + (2n + m/2) H 2 ; Mais réactions complexes, complètes (pas de CO) dans des conditions strictes Etat de la recherche : reformeur embarqué (plasma pour générer les conditions thermodynamiques) : volumes, inertie, filtres, auxiliaires 29

30 Projets Daimler Chrysler 30

31 Projet Fever Renault 31

32 Projets PSA 32

33 Projet Fiat 33

34 Tous constructeurs 34

35 Souplesse et efficacité? 35

36 Transports collectifs terrestres Bus : piles PEM moins compactes, de nombreuses applications de terrain (flottes «captives» ; parcours connus) Trains : APU à l arrêt et possibilité piles hautes températures et reformage à bord, alternative à l électrification des voies 36

37 Exemple de réalisation Caractéristiques : 4 piles PEM SIEMENS de 30 kw, 60 C, 1,5 bars, stockage 250 bars, 250 km d autonomie ; bus MAN 12m, 18 t ; 37

38 > 100 bus De plus en plus de villes s équipent. 38

39 Consommations comparées 39

40 Emissions comparées 40

41 Sous marins : moteur électrique silencieux et pas d émission de polluants Navires : propulsion et production d électricité auxiliaire APU (même pour voilier de plaisance) Approvisionnement : reformage fuel Marine et piles à combustible 41

42 Aéronautique et pile à combustible Spatial : production eau et électricité à bord Alimentation des drones Planeurs assistés : moteur électrique silencieux Autres aéronefs : puissance en régime de croisière, APU 42

43 Cogénération «électrique» Cogénération chaleur - électricité Rendement de 40 % - 40 % (< 50 % chaleur) à 60 % - 25 % Près de 200 installations dans le monde Puissance 200 kw - 2 MW 43

44 APPLICATIONS Cogénération : cibles optimales Sites reliés au gaz naturel Consommation de chaleur Possibilité de revente sur le réseau (primes) Centrales électriques (optimisation des rendements sur PCI) sans bruit ni émissions «Micro cogénération» pour la maison individuelle : 3 kw suffisent Nano applications (générateur portable...) 44

45 Une installation sur PEM 45

46 Systèmes combinés Alimentation d une SOFC sous pression 46

47 Schéma de principe Avantages : à 3 bars, + 10 % efficacité de la pile, on turbine en sortie 58 % à 250 kw, 70 % à partir de 2 MW (bons rendements à petite puissance) 47

48 Application cogénération domestique PILE CHAUDIERE BALLON BOUCLE DE CHAUFFAGE ECHANGEUR EAU CHAUDE SANITAIRE La pile produit de l électricité pour substitution ou revente Le circuit de refroidissement de la pile (75 C en sortie) sert de boucle primaire pour les circuits ECS et chauffage. La chaudière est un appoint (niveau de température trop bas dans le ballon) L échangeur permet de refroidir l eau si niveau de température trop haut en entrée pile. 48

49 Plug Power - GE Sur le marché : 7 kw 49

50 Schéma de principe 50

51 Applications «portables» Système complet Ballard de 1,2 kw Vélo assisté électriquement Ordinateurs, téléphones portables 51

52 Offre française 2 PME filiales de grands groupes 52

53 ACTEURS : Piles et reformage La plupart des grands groupes mondiaux : Construction automobile (GM, MERCEDES, TOYOTA, RENAULT, PSA, VOLVO...) Electro mécanique (SIEMENS, GEC ALSTHOM, DAIMLER, WESTINGHOUSE, TOSHIBA) Chimie (DuPont, FUJI, DOW, ASAHI, GORE...) Producteurs d énergie (EDF, GDF, HYDRO QUEBEC, compagnies US et J...) Défense et spatial En France : EDF, GDF, Renault, PSA, Air Liquide, AREVA Recherche : IFP, CEA, CNRS, EMP PME : N-GHY, AXANE, HELION 53

54 Conclusions - 1 Contexte très favorable au développement de l usage des piles à combustible Rendements en génération d électricité supérieurs aux systèmes thermiques Coûts décroissants avec le nombre d installations et les développements technologiques Densités de puissance équivalentes aux moteurs Plage de fonctionnement et pas d effet de taille Ni émission locale de polluants, ni bruit Universalité des applications Implications des grands groupes industriels 54

55 Conclusions - 2 Contexte français : bilan mitigé Un passif lourd (efforts de l IFP jusqu an 1975) Compatibilité avec le nucléaire Taille des fabricants de pile (HELION, AXANE) Recherche fondamentale sur les SOFC (EDF) Une OD (200 kw en PAFC) sur un réseau de chaleur (EDF - GDF) inaugurée en 2000, une sur de l habitat social (VEOLIA) à Paris, depuis fin 2006, une sur un relais Bouygues Télécom Trop peu de laboratoires de recherche impliqués sur les piles et leurs systèmes (CNRS, CENG, EMP) L avenir proche : des actions à prendre Déréglementation, intérêt des «fontainiers» Implication des industriels, ANR Le transport tirera la cogénération La filière Hydrogène? 55

56 Sites internet Des centaines de sites Les sites des constructeurs Automobiles, De piles : Ballard, Nuvera, Axane, 56