Piles à combustible :

Transcription

1 Piles à combustible : Généralités, enjeux, utilisations Jean-Paul ONANA Ingénieur, chargé d affaires

2 Plan de la présentation artie I : Généralités sur les technologies de piles à combustible Quelques repères, Principe, filières Les atouts de la pile à combustible Perspectives d utilisation artie II : Perspectives pour Gaz de France Enjeux Expérimentations de systèmes Pile à Combustible par Gaz de France e contexte international sur l H 2 et les PàC

3 Généralités sur les technologies de pile à combustible

4 Quelques repères (1859) Francis Bacon : La première pile à combustible alcaline Réactivation des programme de recherche Sir William Grove : Le principe de la pile à combustible Premières opérations réalisées par la Nasa?? Démarrage de la commercialisation

5 Principe d une pile à combustible Valorisation thermique DMFC PEMFC Convertisseur chimique AFC PAFC Convertisseur Électrique AC / DC MCFC SOFC Électricité ombustibles H 2 (courant continu)

6 Traitement du combustible éthanol DMFC Eau (H 2 O) PEMFC iomasse 2 H 2 pur Gaz Naturel --- harbon Préparation Combustible Transformation Reformage Purification CO AFC PAFC CO 2 mbustibles Fossiles Air (O 2 ) MCFC SOFC mbustibles Primaires H 2 Piles à Combustib

7 Différentes filières de piles à combustible Sigles Appellation Electrolyte Température de fonctionnement ( C) DMFC Pile à combustible au méthanol direct (Direct Methanol Fuel Cell) Polymère conducteur protonique PEMFC Pile à combustible à membrane échangeuse de proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Polymère conducteur protonique 90 AFC Pile à combustible alcaline (Alkaline Fuel Cell) Potasse : KOH 80 PAFC Pile à combustible à acide phosphorique (Phosphoric Acid Fuel Cell) H 3 PO MCFC Pile à combustible à carbonate fondu (Molten Carbonate Fuel Cell) Li 2 CO 3 /K 2 CO SOFC Pile à combustible à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cell) Céramique : ZrO 2 Y 2 O à 1 000

8 Les atouts de la pile (1/2) La protection de l air Une pile à combustible, fonctionnant avec de l hydrogène pur ou du gaz naturel, ne rejette ni oxydes de soufre ni particules Lorsque l hydrogène est obtenu à partir de gaz naturel, une pile à combustible ne rejette que : Des quantités infimes de NO x et de CO 4 mg / kwh de NO x et des traces de CO pour la PAFC de Chelles A titre indicatif, le label ange bleu pour les chaudières individuelles : 65 mg/kwh de NO x et 50 mg/kwh de CO

9 Les atouts de la pile (2/2) Les économies d énergie Les piles à combustible permettent de générer un courant électrique de façon continue avec des rendements élevés : Le rendement électrique dépasse actuellement les 40% et peut atteindre 70% lors du couplage d une pile haute-température avec une turbine à gaz Le rendement total (électrique + thermique) est aujourd hui de l ordre de 80% et devrait atteindre 90% Les piles à combustible contribuent ainsi aux économies d énergie et participent à la réduction des émissions de CO 2 La limitation des nuisances sonores Le processus électrochimique de la pile ne génère pas de bruit Seuls les systèmes auxiliaires (ventilation, circulateurs ) engendrent un bruit faibles Maintenance limitée (pas de pièce en mouvement)

10 Perspectives d utilisation de la Pile à Combustible cogénération portable Production d'électricité transport

11 Partie II Perspectives pour Gaz de France

12 Enjeux de la pile à combustible pour Gaz de France La pile à combustible s inscrit aujourd hui dans la stratégie du Groupe Gaz de France comme un moyen de production décentralisé d électricité et de chaleur au même titre que les moteurs et turbines à gaz naturel. Le Groupe Gaz de France entend utiliser les PAC pour : Développer ses ventes de fluides énergétiques Développer ses activités de services énergétiques La question est de savoir sur quel maillon de la chaîne de valeur se positionner : Réponse en fonction des évolutions technologiques, concurrentielles et environnementales qui seront progressives La mission : alimenter la réflexion stratégique au travers d éclairages sur les marchés, les acteurs et les technologies

13 Organisation DR : 3 types d activités Expérimentation de systèmes de piles à combustible : Évaluations des performances électrochimiques, Expertise «Utilisation du Gaz Naturel dans les piles à combustible» et «Matériaux pour cœur de pile» Élaborations de protocoles d essais Activités de développement de systèmes et de sous-systèmes : REFOPEM (reformeur), CIEL (intégration pile / chaudière) Activités transverses : Communication : Informations, sensibilisation et formation des acteurs de la filière Pilotage de projets de dimension européenne, Veille et action sur la réglementation, la normalisation

14 Activités DR en co-développement sur les Piles à Combustible Sur la PEMFC : Réseau PACo : Projet EPACOP : Modélisation et optimisation de système, Projet REFOPEM : Développement d un prototype de reformeur français Sur la SOFC : Projet européen (5 PCRD) : PIP-SOFC : Technologie hybride Pile / Turbine à gaz, CEXICELL : Prototype SOFC 1 kw E Projet européen (6 PCRD) : REAL-SOFC : Projet intégré d amélioration de la technologie SOFC Projet CIEL (Chaudière Individuelle Electrogène): Étude de l intégration intime Pile / Chaudière

15 Expérimentations de systèmes de Pile à Combustible

16 Démonstration d une PAFC à Chelles

17 PAFC 200kW de Chelles, synthèse des résultats Heures de fonctionnement : heures Energie produite : 3196 MWh électriques Plage de fonctionnement : kw Fonctionnement en mode autonome Rendement électrique mesuré : 41 % PCI Pile fonctionne toute l année en cogénération Hiver : contribution au chauffage et ECS Eté : contribution à l ECS Disponibilité 2000 : < 50% 2001 : 77% 2002 : 80% Emissions mesurées: CO: 0 mg/kwh PCI (inférieur au seuil de détection) CH 4 : 0 mg/kwh PCI (inférieur au seuil de détection) NOx : 4 mg/kwh PCI Seuils établis par la réglementation CO: 50 mg/kwh PCI Label allemand «Ange Bleu», un des textes les plus sévères en Europe NOx : 65 mg/kwh PCI Label allemand «Ange Bleu», un des textes les plus sévères en Europe

18 Projet EPACOP Expérimentation de 5 piles PEMFC sur sites opérationnels : Communauté urbaine de Dunkerque (2) Nancy Sophia Antipolis Agglomération de Limoges

19 Projet EPACOP - Objectifs Valider la technologie PEMFC pour les applications résidentielles et petit tertiaire Marquage CE Assurance responsabilité civile (ERP) Mieux comprendre le fonctionnement de piles en situation réelle En conditions réelles et durant toute leur durée de vie Anticiper les évolutions nécessaires de la technologie Créer et transférer des compétences «Piles à combustible» aux acteurs des secteurs d installation, opération et maintenance

20 Projet EPACOP caractéristiques de la pile Le module RCU 4500 version 2 Dimensions LxHxP : 1,6x1,4x1,1m 3 Poids : 1500 kg Puissance électrique nette : 3,5 kw Puissance thermique nette : 5,6 kw Alimentation gaz naturel Configuration : indépendant du réseau électrique, en parallèle avec le réseau électrique Sortie électrique : alternatif 230V Régulation sur les appels de charges électriques

21 Projet EPACOP Analyse de la valeur Référence : Moteur cogénération de 4,7 kwe commercialisé aujourd hui Coût du produit : soit 2555 /kwe La pile à combustible RCU 4500 V2 Évaluation du coût final du RCU4500 V2 : soit /kwe Production de masse ( unités) : soit 6800 /kwe 2 fonctions coûteuses : La production d électricité : 34% du coût global Dont cœur de pile : 81% du coût de la fonction La transformation du combustible : 37% Les sauts technologiques (membrane, humidification, gestion électrique, purification ) pour unités soit un gain de 64% Pour une unité de 4 kw : 2787 /kwe commercialisation possible si verrous technologiques levé

22 Projet EPACOP Pile GENSYS 4C de Plug Power Installation Septembre 2005 Commissioning Juin 2006 après remplacement Batteries Remplacement Onduleur Mise en exploitation 13 Octobre 2006 Caractéristiques Puissance électrique nette : 4 kw Puissance thermique nette : 8 kw Configuration : en parallèle avec le réseau électrique Régulation : aucune

23 Test du système SOFC 1kW de Sulzer Hexis

24 Système Sulzer Hexis : présentation Dimensions: 1,8x1,1x0,7 m Poids : 450 kg à vide (650 kg) Pile seule: 1 kw électrique (brut) 2.6 kw thermique Chaudière à condensation 23 kw thermique 100 % des besoins thermiques Entre 50 et 100% des besoins électriques db Rendement électrique : 25 à 35% Rendement total % CO : 10 à 19 mg/kwh NO X : 1 mg/kwh

25 Système Sulzer Hexis : Principales performances Rendements moyens mesurés du cœur de pile : 25% à pleine charge 35% à charge partielle Rendement total du système entre 80 et 100% sur PCI selon taux d utilisation de la chaudière à condensation Maintenance très limitée Très bonne disponibilité Intégré et silencieux Bonne utilisation des ressources Durée de vie du cœur de pile : Inférieure à 6 mois Coût du système trop élevé Principalement cœur de pile Besoins thermiques : 100 % Besoins électriques : 75% «Rentabilité» pour le client sur la facture gaz/électricité Revente électricité sur le réseau Coûts de maintenance et d investissement trop élevés

26 Test d un système PEMFC 5kW de Vaillant

27 Module 5kW Vaillant Pile à combustible PEMFC 4kW e 10kW th Chaudière Vaillant 25kW Combinaisons possible avec d autres chaudières plus puissantes LxHxP : 0,9x1,7x1,6 m 3 Poids : 400 kg Régulation thermique

28 Module 5kW Vaillant Performances énergétiques Rendement électrique Brut 33% Net 25% Rendement thermique 60% Rendement global 85% Performances environnementales Émissions atmosphériques Cœur de pile à 3,5kW : CO : 3,2 mg/kwh No x : 0 mg/kwh Label Ange Bleu : CO : 50 mg/kwh Nox : 65 mg/kwh Émissions sonores «nulles Taux d utilisation: 50% Système à régulation thermique Satisfait 100% de la demande moyenne thermique et électrique Revente de 50% de la production électrique

29 Synthèse des expérimentations sur pile à combustible Réponse aux besoins thermiques et électriques Polluants : CO, NO X << Label «Ange Bleu» SO X, particules en traces seulement Les PEMFC : Amélioration des rendements électriques entre les expérimentations d EPACOP et de Vaillant Marché domestique et tertiaire PAFC (Chelles) : Disponibilité 78% Durée de vie estimé à heures SOFC : Coût total (cœur de pile ) Production de masse ( ) : Objectif Produit mature Coût prohibitif

30 Conclusions Essor de la production d énergie décentralisée Le gaz naturel sera une source d énergie primaire pour de nombreuses années (transition et vecteur secondaire) Technologies de cogénération éprouvées (moteurs, turbines à gaz, moteur Stirling) Gros potentiel des piles à combustible (cogénération et production d électricité) Performances environnementales Transition vers l hydrogène-économie Couplage avec reformage et séquestration CO 2 Les piles n ont pas encore atteints des durées de vie et des coûts compatibles avec le marché La recherche fondamentale doit être renforcée, les défis à relever Matériaux (membranes PEMFC, catalyseurs, matériaux SOFC) Réduction des coûts (mise en forme, architecture )

31 Merci de votre attention

32 Transformation, Reformage Vapo-reformage : Réaction endothermique CH H 2O CO 3H 2 Oxydation partielle : Réaction exothermique CH CH O2 CO + 2H 2 + O CO + 2H Reformage autothermique (ATR) : combinaison du vaporeformage et du l oxydation partielle

33 Séparation, Purification Séparation : Par membrane Séparer H 2 de tous les autres gaz Purification : Shift + Prox Shift : CO + H + 2O CO2 H 2 1 Prox : CO + O2 CO2 2

34 cœur de pile d une PEMFC Anode H2 - e- e- i e- e- + O2 Cathode H+ H+ membrane H+ H+ 2 2H + + 2e - 1/2 O 2 + 2H + + 2e - 1 H 2 O H+ H+

35 Le contexte international sur l Hydrogène et les Piles à Combustible

36 Contexte international Hydrogène et Piles à combustible Une stratégie internationale cohérente se dessine: US & Plateforme technologique européenne, CE, L objectif final est «d accélérer le développement et le déploiement d un système énergétique basé sur l hydrogène et les piles à combustibles» Industrie européenne a décidé de croire au potentiel de l hydrogène et des piles à combustible (PAC) comme moyens: d améliorer la sécurité d approvisionnement en Europe de produire l énergie plus efficacement et de faciliter la transition vers des énergies non polluantes et notamment renouvelables Véritables enjeux industriels, notamment pour les énergéticiens européens avec l ouverture des marchés et la levée du principe de spécialité

37 Vision du HLG, feuille de route de déploiement de l hydrogène et des piles à combustible Nous sommes

38 Vision du HLG, paysage énergétique du futur