Projet PAC SM (Phases 1 &2) PAN H 2005 & Serge BESSE HELION / AREVA

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Thomas Fradette
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1 Projet PAC SM (Phases 1 &2) PAN H 2005 & 2007 Serge BESSE HELION / AREVA

2 Le projet PAC SM (Phases 1 & 2) Titre : Développement de systèmes pile à combustible pour les applications anaérobies de propulsion de sous-marins inhabités et stationnaires grands fonds Partenaires : HELION (coordinateur), IFREMER, CYBERNETIX, ECA, SNPE, ARMINES Date de début du projet : Phase 1 : 1/12/2005 puis Phase 2 : 1/12/2007 Date de fin du projet : 30/12/2010 Budget total : 1747k Phase 1 et 2876k Phase 2 Aide totale accordée : 2455k Labellisation par les pôles de compétitivité : Pôle CAPENERGIES et Pôle MER

3 Rappel du contexte et des enjeux Pour le domaine sous-marin (applications pétrolières, militaires ou scientifiques), la fourniture d énergie est une problématique majeure Le besoin d une autonomie énergétique de longue durée est poussé par une exploration sous-marine de plus en plus profonde et par le développement croissant des systèmes offshore : les engins mobiles: ROV (Remotely Operated Vehicle) et AUV(Autonomous Underwater Vehicle) les systèmes statiques comme les stations de fond (ou stations benthiques) et les têtes de fond de puits des champs pétroliers offshore Fourniture d énergie de ces systèmes se fait : soit par des batteries traditionnelles (Pb acide, lithium, eau de mer) avec des capacités en énergie limitées à quelques kwh soit par des ombilicaux reliés à terre ou à un bâtiment de surfaceavec des coûts d investissement très élevés, prohibitifs pour des sites très profonds

4 Rappel du contexte et des enjeux (suite) Une nouvelle source d énergie sous-marine de grande autonomie constitue un saut technologique majeur pour l industrie offshore avec la mise en place d un grand nombre d applications impossible actuellement La pile à combustible présente un potentiel évident pour relever ce défi technologique A la différence des batteries classiques, elle est dimensionnée pour fournir une puissance, et son autonomie est uniquement imposée par le volume de combustible (hydrogène) embarqué Il est possible d atteindre de grandes autonomies sans entraîner des coûts supplémentaires trop importants

5 Objectifs et positionnement du projet Objectif du projet PAC SM : conception, mise au point et expérimentation de systèmes de piles à combustible de type PEMFC hydrogène-oxygène pour les applications sousmarines inhabitées Le projet comportait deux parties : La première phase achevée fin 2007, avait pour objet de démontrer la faisabilité et la validité technico-économique de ces systèmes avec la réalisation d un prototype non embarqué La seconde phase se proposait d expérimenter, en conditions réelles, un système pile à combustible développé spécifiquement par HELION En parallèle, une étude avait pour objectif de démontrer la faisabilité de générateurs de gaz (fonctionnant à partir d un stockage sous forme solide), compatibles avec une pile à combustible dans les conditions de fonctionnement sous-marine Enjeu majeur du projet PAC SM : démonstration et validation expérimentale de l utilisation d une PEMFC H2-O2 comme source d énergie dans les domaines de la robotique sous-marine

6 Défis scientifiques et technologiques Expérimentations en mer pour valider le fonctionnement en conditions réelles d exploitation afin de lever certains verrous technologiques bloquants Sécurité liée à l utilisation d oxygène et d hydrogène dans un environnement confiné Intégration dans l AUV: pile combustible confinée dans un caisson étanche, résistant à la pression externe (300 bars à 3000 mètres de profondeur) Etudes préliminaires d intégration ont montré qu il était préférable de stocker les bouteilles de gaz à l extérieur du caisson étanche. Tenue à la pression des bouteilles et des connexions avec l enceinte de la pile Etanchéité des passages de cloison Déplacement des masses: au cours de la mission, gaz sont consommés petit à petit et l eau produite stockée dans l enceinte de la pile. Bouteilles deviennent plus légères tandis que le caisson étanche s alourdit. Déplacement de masse ne doit pas modifier la position du centre de gravité de l engin pour ne pas perturber sa navigabilité. Intégration de la pile dans un environnement très réduit

7 Résultats 1 Phase 1 : Définition d architectures adaptées aux différents besoins Architecture générale : système PAC conteneurisé dans un caisson étanche stockage gaz à l extérieur du caisson Architecture fluidique : refroidissement via la paroi de l enceinte gestion des gaz par recirculation stockage de l eau produite dans le caisson Architecture électrique : définition d architectures adaptées aux différents besoins avec ou sans convertisseur avec ou sans hybridation avec batterie couplage de plusieurs PAC (redondance ou pour atteindre des tensions plus importantes)

8 Résultats 2 Phase 1 : Etude technico-économique Principal concurrent de la PAC : accumulateur Lithium-Ion Avantage de la PAC pour des capacités énergétiques dépassant 30 à 35 kwh pour les applications sous-marines Marchés de niche sur des applications stationnaires ou mobile : AUV à grande autonomie têtes de puits autonomes balises sismiques Problème de rechargement en hydrogène et en oxygène est un frein au déploiement sans procédure appropriée

9 Résultats 3 Phase 1 : Réalisation et tests en laboratoire d un système PAC d étude Développement stack: Développement de pile à combustible de 100 cm² pour mieux répondre aux besoins Augmentation significative des performances électrochimiques pour atteindre des hauts rendements Développement système : Réalisation d un système non embarqué permettant de tester différentes configurations de fonctionnement Rendement 80% 60% 40% 20% Tension (V/cellule) Densité de courant (A/cm²) Courbe de polarisation Puissance surfacique % Puissance fournie (W) P (W/cm²)

Résultats 4 Phase 2 : Etude d intégration de la pile dans un AUV (exemple IDEF X IFREMER) Système PAC intégré dans un caisson constitué de 2 demi-sphères autour d une virole centrale Le

La dimension de la virole centrale a été réduite au maximum afin d optimiser les contraintes d intégration (limitation de la longueur totale de l AUV pour la mise en œuvre opérationnelle)

10 Résultats 4 Phase 2 : Etude d intégration de la pile dans un AUV (exemple IDEF X IFREMER) Système PAC intégré dans un caisson constitué de 2 demi-sphères autour d une virole centrale Le caisson s ouvre au niveau des 2 demisphères. La dimension de la virole centrale a été réduite au maximum afin d optimiser les contraintes d intégration (limitation de la longueur totale de l AUV pour la mise en œuvre opérationnelle) Partie électrique du système placée dans une demi-sphère Partie procédé au niveau de la virole centrale Connectiques fluidiques au niveau de la seconde demi-sphère Aménagement du système réalisé afin de permettre une maintenance simple par l ouverture du caisson m m demi-sphère électrique Virole : L=400mm 1400mm demi-sphère procédé

11 Résultats 5 Phase 2 : Essais AUV IDEF X en mer Sept jours de mission, 6 plongées avec la pile à combustible, pour un temps cumulé de plongée de 65 h Entre chaque plongée et en mer remplissage des réservoirs de gaz sur le pont du navire Autonomie de 36 kwh démontrée sur la pile

12 Résultats 6 Phase 2 : Essais AUV ALISTAR3000 en piscine Intégration physique de la PAC non réalisée dans l AUV ALISTAR par manque de temps et par souci budgétaire Couplage électrique PAC + ALISTAR 3000 réalisé en piscine Le système PAC a parfaitement fonctionné dès sa remise en service, après environ 1 an d entreposage après essais sur l IDEF x démontrant la robustesse de la technologie HELION Le système PAC a parfaitement répondu aux attentes, et a même fait mieux puisqu il a été en mesure de fournir une puissance supérieure à la valeur nominale prévue

13 Résultats 7 Phase 2 : Génération de gaz à partir d un stockage solide Les essais, réalisés par HELION en monocellule avec l oxygène produit par SNPE Matériaux Energétiques, ont montré que le gaz produit était utilisable comme comburant d une pile à combustible type PEMFC L avant projet de générateur oxygène a été poursuivi jusqu au stade de démonstration d un prototype Validation d une technologie de filtration pour la génération d hydrogène avec la technologie NfH 2 : avant-projet d une maquette d'un démonstrateur laboratoire de génération d hydrogène et avant-projet échelle 1 du système de génération de l'hydrogène à intégrer sur le navire Banc de démonstration fonctionnel et optimisé de génération et de filtration d hydrogène

Conclusions et perspectives Le projet PAC SM a permis la conception et la réalisation d un système pile à combustible adapté à la fourniture énergétique d un sous-marin de type AUV Le système PAC a

14 Conclusions et perspectives Le projet PAC SM a permis la conception et la réalisation d un système pile à combustible adapté à la fourniture énergétique d un sous-marin de type AUV Le système PAC a été validé dans les conditions réelles d exploitation avec toutes les phases de mise en œuvre opérationnelle, comme le remplissage des stockages de gaz de l engin, sa mise à l eau, sa récupération et son fonctionnement en conditions réelles On peut donc envisager le développement d engins sous-marins alimentés par une pile à combustible avec des autonomies très importantes Par ailleurs, l utilisation de cette technologie peut être élargie aux applications en environnements difficiles (sans air, sous atmosphère viciée ou contraint en encombrement), y compris pour des engins habités Une solution innovante de génération de gaz actifs stockés sous forme solide a été validée Viabilité technique de la solution technologique démontrée Plus qu un concept, l application PAC sous-marine est aujourd hui à portée de main

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