LA FILIÈRE HYDROGÈNE. Jules verne, l île mystérieuse (1874) Sébastien ROSINI

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "LA FILIÈRE HYDROGÈNE. Jules verne, l île mystérieuse (1874) Sébastien ROSINI"

Lucienne Angélique Clermont
il y a 7 ans
Total affichages :

fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d'une intensité que la

1 LA FILIÈRE HYDROGÈNE «Je crois que l eau sera un jour employée comme combustible, que l hydrogène et l oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d'une intensité que la houille ne saurait avoir.» Jules verne, l île mystérieuse (1874) Sébastien ROSINI 12 NOVEMBRE 2013

2 PLAN Introduction Présentation de la filière hydrogène Production de l hydrogène Stockage Utilisation de l hydrogène : les piles à combustible PEM SOFC Deux exemples de système pile à combustible

3 LA FILIÈRE HYDROGÈNE AU SEIN DU CEA Activité centrée autour du LITEN (DRT) avec le soutien DSM et DAM 120 permanents 15 doctorants 20 post doctorants Plateforme de test, de fabrication et d expérimentation Contrats partenariaux et industriels Visite Euro-Shelter Grenoble, 2 juillet 2013 PAGE 3

4 LE COMBUSTIBLE HYDROGÈNE QUELQUES CHIFFRES 1 kg d hydrogène, c est : 33,33 kwh (pouvoir calorifique inférieur, 120 MJ) ~ 16 kwh électriques en sortie de pile (rendement électrique ~ 50%) 1 à 2 jours d autonomie pour une maison tout confort (hors chauffage) ~ 100 km pour un véhicule de classe moyenne l équivalent de 2,75 kg d essence (soit 3,7 l) ~ 25 litres à 700 bars (poids du réservoir env. 20 kg/kg H 2 ) 2 à 10 selon les méthodes de production et transport utilisées Filière hydrogène: état de l art PAGE 4

renouvelables Électrolyse Transport Distribution Conditionnement - sous pression - cryogénique - hydrures -

5 LA FILIÈRE HYDROGÈNE CO 2 Industrie chimique Moteur thermique Biomasse Reformage CO 2 Centrale hydraulique Eau Hydrogène énergie CO 2 CO 2 H 2 Énergie fossile Charbon, gaz, pétrole Centrale thermique Énergies renouvelables Électrolyse Transport Distribution Conditionnement - sous pression - cryogénique - hydrures - Pile à combustible Centrale nucléaire Cycles thermochimiques Chaleur + Filière hydrogène: état de l art électricité PAGE 5

LA PRODUCTION D HYDROGÈNE DÉ-CARBONÉ A partir de la biomasse Production de combustible carboné Cycle de production de l hydrogène directe complexe Par cycle thermochimique Gestion complexe du cycle

6 LA PRODUCTION D HYDROGÈNE DÉ-CARBONÉ A partir de la biomasse Production de combustible carboné Cycle de production de l hydrogène directe complexe Par cycle thermochimique Gestion complexe du cycle au niveau thermique et fluidique Problème de corrosion (cycle de l iode à 400 C) Par électrolyse Electrolyse Alcaline Electrolyse PEM Electrolyse haute température Filière hydrogène: état de l art PAGE 6

H + O 2 Porous Ti Performance d un électrolyseur => courbe I=f(E) I fonction de la production de d hydrogène E

7 Rendement ELECTROLYSE DE L EAU Décomposition de l eau sous l effet du courant Pt IrO 2 H 2 O -> H 2 +1/2 O 2 production d hydrogène sur une des électrodes production d oxygène sur l autre électrode production de chaleur H 2 H 2 H + O 2 Porous Ti Performance d un électrolyseur => courbe I=f(E) I fonction de la production de d hydrogène E proportionnel au rendement Compacité Membrane H 2 O NEL Hydrogen : Electrolyseur alcalin Idaho National Laboratory : Modules SOEC (17 kw)

8 LA PRODUCTION D HYDROGÈNE PAR ÉLECTROLYSE Trois principaux types d électrolyse : Technologie Electrolyte Température de fonctionnement Pression de fonctionnement Avantages Inconvénients Alcaline Solution KOH C 1 30 bars Bas cout (1000 /kw) Catalyseurs non nobles robuste (durée de vie 7-10 ans) Faible gamme de fonctionnement Compacité (0,2 A/cm²-0,5 A/cm²) Pression de fonctionnement faible PEM Membrane perfluorée sulfonique 80 C (200) bars Large gamme de fonctionnement Fonctionnement à forte densité de courant (0,8-2 A/cm²) Faible perméation des gaz Cout élevé (2000 /kw) Utilisation d IrO 2, de Pt et de Titane Faible surface de travail SOEC Zircone yttriée (YSZ) C 1-10 (30) bars Faible perméation des gaz Rendement élevé (cout?) Catalyseurs non nobles Problème de cyclabilité (gestion thermique) Filière hydrogène: état de l art PAGE 8

9 SOEC : UNE TECHNOLOGIE EN COURS DE DÉVELOPPEMENT System autonome : production 1 Nm 3 H 2 /h (jusqu à 2,5 Nm 3 H 2 /h ) 1,2 Nm 3 /h H 2 produit à 700 C (stack de 25 celllules) Rendement : 92% Meeting title Location, Date PAGE 10

LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE Stockage gazeux sous hautes pressions (200-700 bars) Stockage liquide

hydrazine) Stockage par physisorption sur matériaux nanoporeux (nanostructures de carbone, zéolithes )

10 LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE Stockage gazeux sous hautes pressions ( bars) Stockage liquide cryogénique (- 250 C) Stockage sous hydrures métalliques Stockage sous hydrures chimiques (NaBH 4, hydrazine) Stockage par physisorption sur matériaux nanoporeux (nanostructures de carbone, zéolithes ) Réservoir hydrure Réservoir hydrures chimiques Réservoir cryogénique Réservoir 700 bar Filière hydrogène: état de l art PAGE 11

11 LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE COMPARAISON DES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES Filière hydrogène: état de l art PAGE 12

12 LE STOCKAGE DU COMBUSTIBLE RÉSERVOIRS SOUS PRESSION Les différents types de réservoirs Type I Tout métallique 1.0 to 1.5 kg/l* Type II Frettage sur virole liner métal sans soudure 0.65 to 1.3 kg/l* Type III bobinage intégral + liner métallique 0.3 to 0.45 kg/l* Type IV Bobinage intégral + liner plastique non structurant 0.3 to 0.45 kg/l* * Fourchette de masse classique pour un design de 200 bar Avantages du réservoir de type IV pas de fragilisation à l H 2 bonne résistance à la fatigue faible masse pression de service élevée Coupe d un réservoir de type IV Filière hydrogène: état de l art PAGE 13

LES APPLICATIONS DE L HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Électrolyte Polymère Solide 100 µm O 2 (air) Cathode H + Anode H 2 plaque distributrice O 2 e- H 2 O H + e - H

13 LES APPLICATIONS DE L HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Électrolyte Polymère Solide 100 µm O 2 (air) Cathode H + Anode H 2 plaque distributrice O 2 e- H 2 O H + e - H 2 collecteur de courant H 2 O + O 2 H 2 O+ H 2 Électrolyte (Nafion) Zone active (dépôt Pt) AME Chaleur Zone diffusionelle (feutre carbone imprégné Nafion) Filière hydrogène: état de l art PAGE 17

14 LES DIFFÉRENTS TYPES DE PILE À COMBUSTIBLE Anode Electrolyte Cathode SOFC C H 2, CH 4, Ceramiques O²- O 2 /air MCFC C H 2, CH 4, Carbonates fondus CO 3 ²- O 2 /air PAFC C H 2 Acide Ph. (liq) H+ O 2 /air DMFC / DEFC C PEMFC C Methanol, ethanol H 2 Polymère H+ O 2 /air Alkaline FC C H 2 KOH (liq) OH- O 2

Aéronautique AFC SOFC Portable Mini PAC PEMFC DMFC Transport 10

15 LES APPLICATIONS DE L HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE : LES APPLICATIONS ET LA TECHNOLOGIE Stationnaire MCFC PAFC Spatial Aéronautique AFC SOFC Portable Mini PAC PEMFC DMFC Transport 10 W 100 W 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW Filière hydrogène: état de l art PAGE 19

16 RECHERCHE SUR LES PILES À COMBUSTIBLES DES NANOMATERIAUX AUX SYSTÈMES INTÉGRÉS Matériaux Optimisation des procédés de fabrication Optimisation du taux d'utilisation du catalyseur Electrodes Assemblage membrane électrodes Diminution (/suppression) de la quantité de catalyseur noble Augmentation de la conductivité des électrolytes et des propriétés mécaniques Intégration système Optimisation du design et de la nature des plaques distributrices Plaques bipolaires 80 kw GENEPAC Stack 23 kw FISYPAC Stack ZERO CO2 sail 35 kw PEMFC 10.5 kg H 2 (350 bar) EPICEA System (2,5 kw) stack design Etat de l art PAGE 20

17 Densité de puissance (W/mg Pt) PEMFC : EVOLUTION DES PERFORMANCES ,1 0,01 Système complet 0, Année Augmentation de la densité de puissance spécifique Maîtrise des procédés de fabrication Meilleur compréhension des phénomènes ayant lieu au sein du générateurs Augmentation de la densité de puissance volumique des piles Optimisation des AME Optimisation du design des plaques bipolaires 22

18 PRÉSENTATION DE LA SOFC Principe de fonctionnement inverse à celui du SOEC Avantages : Tolérance au CO multi combustible (biogaz,ch 4 ) réversibilité Inconvénients : Cyclabilité thermique SOFC couplé à une reformeur Biogas CH4/CO2 à l entrée du reformer Gaz reformé à la sortie 44,8% H 2 7,3% CH 4 14,3% CO 15,6% CO 2 18% H 2 O SOFC Fonctionnant sous CH 4 avec reformage directe Fonctionnement en mode réversible Reversible stack 25 cell Tstack = 700 C 50H 2 O/50H 2 Page 23

19 MARCHÉ DES PAC Domination du stationnaire et portable Domination de l Asie et Am. du Nord Domination de la PEMFC, croissance des SOFC 24

extender Presented @ Mondial de l Auto Paris 2012 5 kw Fuel

20 FUEL CELL INTEGRATION IN A UTILITY VEHICLE A standard, mass-produced electric vehicle equipped with H 2 range extender Mondial de l Auto Paris kw Fuel Cell System First customer deployments (Solvay Group, in Tavaux, France) 25

21 LA PLATEFORME MYRTE : CONCEPT DE BASE Electrolyseur PEM 10 Nm3/h 50 kw Panneau photovoltaïque: 560 kwc, 2240 PV modules (3700m 2 ) 28 inverters SMA 17kW Electrolyseur: 50 kw (PEM) 10 Nm 3 /h Pile à combustible : 100 kw (PEM) Stockage gaz: H 2 (1400 Nm 3 ) & O 2 (700 Nm 3 ) 35 bars Stockage de chaleur: 400 kwh (eau + matériaux à changements de phase ) PEM Fuel Cell 100 kw

MERCI DE VOTRE ATTENTION HTTP://WWW.CEA.FR/CONTENT/DOWNLOAD/137421 /2531450/FILE/RAPPORT-ANNUEL-CEA-2013.

22 MERCI DE VOTRE ATTENTION / /FILE/RAPPORT-ANNUEL-CEA-2013.PDF PAGE 27 CEA 10 AVRIL 2012 Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Grenoble Grenoble Cedex 9 T. +33 (0) (0) DRT DEHT Etablissement public à caractère industriel et commercial RCS Paris B

23 DOE: ÉTAT DE L ART ET OBJECTIF PAGE 28

24 DOE: ÉTAT DE L ART ET OBJECTIF PAGE 29

25 ÉMISSION DE CO2 ET COMBUSTIBLE PAGE 30

26 CEA STRATEGY FOR PEMFC STACK AND SYSTEM INDUSTRIALISATION Evaluation of stack production cost at different production rates Meeting title Location, Date PAGE 31

Documents pareils

Jean-Claude GRENIER Directeur de Recherches - CNRS

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux ICMCB - CNRS Université de BORDEAUX Jean-Claude GRENIER Directeur de Recherches - CNRS www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr 1 Institut de Chimie de la Matière