L énergie. les transports. Quelles alternatives? Stéphan ASTIER Christophe TURPIN

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1 L énergie et. les transports Stéphan ASTIER Christophe TURPIN Quelles alternatives? Regard sur les piles à combustible et aussi sur les architectures hybrides et sur l hydrogène combustible de synthèse et possible vecteur énergétique du futur

2 Pollution, émissions gazeuses : GES, pollution urbaine Raréfaction inéluctable à moyen terme, source de crises Combustibles Fossiles > 80%

3 La situation mondiale de l énergie Bernard MULTON Pollution, émissions gazeuses : GES, pollution urbaine Raréfaction inéluctable à moyen terme, source de crises

4 Effet de serre : un équilibre bénéfique et fragile Déforestation 1 Gt / an Emissions fossiles 6 Gt / an Capacité absorption 3 Gt / an

5 Transports Route : pétrole à 98% 85 % des transports dans le monde 1990 Trafic routier 2005 : 0, véhicules 2020 : 1, véhicules km en voiture : 1 tonne de CO En avion aussi par passager!!

6 «Emissions de CO 2»

7 Evolution des systèmes de transports: toujours plus de confort et moins de pollution Amélioration des solutions à énergie thermique Des moteurs plus économes et moins polluants : nouveaux carburants et meilleure maîtrise de la combustion Pénétration croissante de l énergie électrique dans tous les types de véhicules individuels ou collectifs pour alimenter des auxiliaires électriques de plus en plus nombreux : Air-bags, GPS, radars, soupapes élec, DAE,.. Disponibilité de l énergie électrique embarquée : Autonomie : énergie Puissance : vers 10 kw Introduire la propulsion électrique?!

8 Électricité et émissions de CO2 Filière Hydraulique Nucléaire Eolien Photovoltaïque Gaz cycle combiné Gaz Fuel Charbon G Co2 /kwhe à à Bouquet de la production d électricité en 2004

9 L électricité propre, maîtrisée, hauts rendements un vecteur secondaire idéal mais. une énergie de flux. distribuée dans nombre de secteurs via un réseau un fil à la patte quelquefois encombrant! pour des usages hors réseau, différé ou déporté, stockage indispensable, difficile et coûteux

10 Stockage de l énergie : la batterie d accumulateurs Sodium-Soufre Sodium-Chlorure Nickel Essence Gaz Nat Hydrogène 150 Wh/kg 500 W/kg 150 Wh/kg 500 W/kg Wh/kg Wh/kg Wh/kg Meilleures actuelles, Li-Ion : 150 Wh/kg!

11 Véhicule électrique : l énergie embarquée Batterie GMP électrique Véhicule électrique pur mono source Problèmes du V.E.: - autonomie 200 km - durée de recharge plusieurs heures (limitation puissance) Exemple de station de recharge solaire

12 Quels vecteurs énergétiques pour le futur? Aujourd hui combustibles fossiles, énergies de stock, sources et vecteurs électricité, énergie de flux, vecteur Demain électricité, énergie de flux issue des nrj renouvelables et nucléaires autres vecteurs stockables et transportables sans carbone fossile Hydrocarbures à partir du CO2 de l atmosphère : biocarburants Combustibles de synthèse : hydrogène, métaux,

13 Vers des systèmes hybrides exploitant de nouveaux combustibles de synthèse élaborés à partir de sources moins émissives en GES

14 Véhicules multi sources hybrides Groupe Electrogène Moteurs Electriques Dynamique véhicule Stockage (Batterie + ) Moteur thermique + alternateur Turbine à gaz + alternateur Pile à combustible Générateur photovoltaïque Découplage gestion d énergie Rendements puits-roue : thermique : 15 % électrique pur : 21% hybride : 26 % Système : complémentarité judicieuse des organes Combustibles de synthèse produits à partir d énergies primaires faiblement émissives

15 Hybride Toyota Prius

16 De plus en plus d énergie électrique dans le véhicule thermique Nombreuses charges électriques auxiliaires - actionneurs électriques (direction, soupapes) - systèmes électroniques, systèmes de veille Problèmes d énergie batterie Introduction des «alterno-démarreurs» disponibilité de nouvelles fonctions : - réduction des acyclismes - stop and go - booster Un peu de propulsion électrique dans le véhicule thermique

17 Véhicules multi sources hybrides Groupe Electrogène Moteurs Electriques Dynamique véhicule Stockage (Batterie + ) Moteur thermique + alternateur Turbine à gaz + alternateur Pile à combustible Générateur photovoltaïque Un candidat très prometteur : l hydrogène H 2 Combustibles de synthèse produits à partir d énergies primaires faiblement émissives

18 Dans un moteur thermique à hydrogène (combustion) Rendement < 40%

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20 PRINCIPE de la PAC à membrane polymère H 2 + 1/2 0 2 H 2 0 électrolyse inverse Seul rejet : eau Electricité chaleur Rendement > 50 % (Th. 83%)

21 Piles à combustible une membrane une plaque bipolaire Stack de SOFC (2) Stack de PEMFC (1) fonctionne à 80 C Stack de SOFC (3) fonctionnant à haute température > 700 C 1 cellule élémentaire délivre une très basse tension (0.7V) mise en série de N cellules (N 100) pour offrir des niveaux de tension plus élevés STACK

22 Video Ballard

23 BREF HISTORIQUE 1760 H. Cavendish (GB): principales propriétés de H W. Grove (GB): 1 ère PAC à acide sulfurique 1859 G. Planté (F): 1 er accumulateur au plomb 1871 Z. Gramme (B): 1 ère dynamo industrielle chaîne complète de traction électrique PROPRE années 70 General Electric: 2 modules de 1kW (GEMINI) véritable point de départ

24 Différents types de piles à combustible AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC H 2, H 2 O, CO 2 H 2 H 2 O H 2 H 2 H 2 O CO 2 H 2 H 2 O Electrolyte e - H + alcalin OH - carbonate fondu CO 2-3 oxyde solide O 2-2 polymère acide phosphorique O 2 O 2 O 2 NOM DE LA PILE H 2 O O 2 Nature des porteurs de charges Température O 2, N 2, H 2 O, CO 2 CO C C C C C basses T < 200 C hautes T > 550 C + Cogénération COMBUSTIBLE: H 2, (+C0 2 si MCFC) OXYDANT: O 2, (+N 2 si air) (+C0 2 si MCFC)

25 ETAT DE L ART DES TECHNOLOGIES de PAC AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 1W-100kW 1W-10MW 200kW-10MW 500kW-100MW 1kW-10MW 0.4 A/cm à 2 A/cm A/cm A/cm à 1 A/cm 2 Aboutie mais CO2 espace, défense, transport Développement avancé espace, stationnaire, Portable, transport Aboutie 200 installées stationnaire (cogénération) bateaux R&D stationnaire (cogénération) sites isolés, bateaux R&D, expérimentale stationnaire (cogénération), domestique transport IFC Ballard, IFC, Siemens, De Nora ONSI (IFC), Fuji ERC, MC Power Westinghouse (Siemens)

26 PEMFC Bien avancée : série vers 2007? Perf : 1,5 kw/kg, 2 kw/l Système complet: 500W/l PERSPECTIVES Applications du Watt au MegaWatt, nombreux domaines SOFC Chaleur HT : C cogénération (2010?) Pb : coût catalyseurs (Pt) chaleur BT : 80 C fiabilité, durée de vie Actuellement: 3000 Euros / kwe Pb : baisse T tenue matériaux fiabilité, durée de vie Série 500 Euros / kwe?

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31 GM Autonomy ou HY-Wire

32 Transports en commun 2 ème génération de bus Ballard Power Systems

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34 Un moyen particulièrement écologique : le vélo! Le vélo et le vélo électrique aussi à pile à combustible

35 LE COMBUSTIBLE HYDROGENE Un vecteur secondaire comme l électricité mais stocké dans un réservoir comme l essence Meilleurs accumulateurs actuels ( Li-ion) 150 Wh/kg Energies spécifiques des combustibles Essence Wh/kg Hydrogène Wh/kg Quelles sources d hydrogène? Quels dispositifs de stockage? Quelles énergies spécifiques? Uranium Wh/kg

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39 L hydrogène : un vecteur majeur du futur? Nouveaux moteurs à hydrogène Piles à combustible et Séquestration Nuclear power Electricité Stockage du CO 2 Electricité + H 2 0 H 2 + 1/2 0 2

40 Hydrogène et électricité : deux vecteurs complémentaires Stock Flux

41 Photographie NASA Aerovironment 2002 Une maquette représentant une possible chaîne énergétique du futur «Energie solaire, Hydrogène, Electricité»

42 Des piles à combustible au cœur d un bouquet de l énergie renouvelé avec de nouveaux combustibles de synthèse (H2, ) Photovoltaïque éolien Nucléaire biomasse électrolyse réseau local stockage de l électricité R E S E A U électricité stockage via un combustible de synthèse «propre» Réserves fossiles séquestration du carbone PAC chaleur «locale» Cogénération N A T I O N A L

43 Contexte énergétique futur : filière H 2 Photovoltaïque Eolien e - e - Electrolyse (eau) H 2 H 2 Craquage (méthane) CH 4 Biomasse Nucléaire Stockage H 2 H 2 Automobile PAC e - e - e - e - Consommation industrielle Consommation résidentielle

44 Contexte énergétique futur : filière H 2 Photovoltaïque Eolien e - e - Electrolyse (eau) H 2 H 2 Craquage (méthane) CH 4 Biomasse Nucléaire Stockage H 2 H 2 Automobile PAC e - e - e - e - Consommation industrielle Consommation résidentielle

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49 Extraction sur site ou embarquée à partir d un hydrocarbure Reformeur de METHANOL

50 STOCKAGES du COMBUSTIBLE HYDROGENE Stockage gazeux HP, bouteilles 300 bars, 700 bars, ou microbilles Réformage d hydrocarbure liquide Stockage liquide TBT,-253 C Réformeur de METHANOL

51 Energies spécifiques de dispositifs de stockage d hydrogène Energie massique Energie volumique S 1 H2 gaz 300 bars H2 gaz 700 bars H2 liquide Gaz nat 200 bars Gaz nat liqu Méthanol Essence

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56 Valorisation des énergies nucléaires productrices d électricité et de chaleur pour applications hors réseau (centrales à fission 4G au gaz léger, fusion)

57 L islande vise une économie tout Hydrogène à l horizon 2040 à partir d électricité et chaleur géothermique

58 L hydrogène peut-être, mais il y a aussi d autres candidats et il n y a pas que les transports!

59 Les demi piles métal air L électrode métallique est consommée lors d une réaction avec l oxygène de l air. On récupère l énergie sous forme électrique. On peut conserver cette pile en bouchant l arrivée d oxygène. Zn + 1/2 O 2 Zn O + élec 2 Al + 3/2 O 2 Al 2 O 3 + élec Le Zinc produit par électrolyse est un vecteur énergétique ayant stocké l énergie électrique utilisée pour sa fabrication. Il peut aussi servir à produire de l Hydrogène Recharge par changement d électrode métallique Zn + H 2 O Zn O + H 2

60 Applications portables ou nomades, limitation des accumulateurs Alimentation 50W Ball Aerospace Pile PEM Ballard Pile PEM H power

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62 Centrale 250 kw PEM Ballard Power Systems Stationnaire collectif ou individuel Bureaux et résidences Electricité et Chaleur Cogénération Centrale domestique 7 kw PEM Plug Power

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64 Les PAC : hauts rendements, pas démissions directes, silencieuses De très importants changements des structures industrielles!