L Hydrogène et les piles à combustible

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1 L Hydrogène et les piles à combustible Pascal Brault Groupe de recherches sur l Energétique des Milieux Ionisés UMR6606 Université d Orléans CNRS Polytech Orléans BP ORLEANS Cedex 2 Pascal.Brault@univ-orleans.fr Ecole p o l y t e c h n i q u e de l université d Orléans 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 1

2 Sommaire La politique énergétique de la France après le sommet de Rio Action 21 programme global d action pour un développement durable au XXIe siècle Renforcer les bases scientifiques du développement durable Un exemple de conversion de l Energie Les Piles à Combustible L Energie Hydrogène : H 2 : Un vecteur énergétique avec les vertus de l électricité et des énergies fossiles sans les inconvénients Production, distribution, stockage 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 2

3 Les étapes des accords internationaux sur le développement durable Juin 1992 Déclaration de Rio du Sommet Planète Terre prise de conscience universelle des risques multiples encourus par la planète Terre et ses habitants au regard de la situation de l environnement physique, biologique, économique et social meilleure gestion des ressources de la Planète Décembre 1997 Protocole de Kyoto Modalités du développement durable (Réduction émission gaz à effet serre, ) Août-Sept Sommet de Johannesburg Plan d action : aboutir à l éradication de la pauvreté et réaliser le développement humain. 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 3

4 in : Sommet mondial du développement durable Johannesburg 2002 LA SCIENCE AU SERVICE D UN DÉVELOPPEMENT DURABLE Contribution des organismes publics de recherche français Les principaux axes de recherche concernent : l énergie photovoltaïque, en vue d améliorer les rendements de conversion, d abaisser les coûts de fabrication des modules photovoltaïques et d optimiser la gestion d un système énergétique complet ; l énergie géothermique, en vue d élargir les domaines d exploitation de cette ressource actuellement limitée aux gisements sédimentaires (aquifères profonds pour le chauffage urbain) ou volcaniques (production d électricité à partir de vapeur) vers des potentiels plus vastes (socles profonds) ; 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 4

5 la production de combustibles non-fossiles et leur conversion en énergie électrique, thermique ou mécanique par des piles à combustible dont les rendements sont bien supérieurs aux rendements des convertisseurs classiques (turbines, moteurs diesel...), le carburant hydrogène pouvant être obtenu par électrolyse de l eau ou par gazéification de la biomasse ; le stockage de l énergie, en visant un stockage maximal d énergie par unité de volume et de masse, par exemple dans des batteries au lithium, ou des micro-batteries pour cartes à puces ; l utilisation rationnelle de l énergie, où un effort particulier est mené pour modéliser des systèmes thermiques et thermohydrauliques et des dispositifs très avancés en vue de réduire leur consommation énergétique. 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 5

6 Le convertisseur idéal de l hydrogène? La (les) pile(s) à combustible(s) Générateur de courant non polluant, pas de GES, robuste,...mais encore coûteux. e - Combustible (ex. H 2 ) Oxydant (ex. O 2 ) Plaque bipolaire Ions + or Ions - Plaque bipolaire H 2 O Anode Cathode Electrolyte 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 6 Principe PAC H 2 O

7 Les différents types de piles à combustible Type de pile et réaction à l anode (A :) la cathode (C :) Alcaline AFC (Alkaline Fuel Cell) A : H 2 +2(OH) - 2H 2 O + 2e - C : ½ O 2 + H 2 O+2e - 2(OH) - Acide polymère PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) A : H 2 2H + + 2e - C : ½ O 2 + 2H + +2e - H 2 O Acide phosphorique PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) A : H 2 2H + + 2e - C : ½ O 2 + 2H + +2e - H 2 O Carbonate fondu MCFC (Molten Carnonate Fuel Cell) A : H 2 +(CO 3 ) 2- H 2 O + CO 2 + 2e - C : ½ O 2 + CO 2 +2e - (CO 3 ) 2- Oxyde solide SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) A : H 2 +O 2- H 2 O + 2e - C : ½ O 2 + 2e - O 2- Pile basse température Pile haute température Electrolyte Potasse (liquide) Polymère (solide) Acide Phosphorique (liquide) Sels fondus (liquide) Céramique (solide) Température de fonctionnement 80 C 80 C 200 C 650 C Domaine d utilisation et gamme de puissance Espace transports kw Portable, transports,staionnaire 1 W 10 MW Stationnaire, transports 200 kw 10 MW Stationnaire 500 kw 10 MW C 100 kw 10 MW : Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) : Piles à oxyde solide (SOFC) 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 7

8 Verrous scientifiques et technologiques Augmenter température de fonctionnement PEMFC ( 120 C) Baisser température de fonctionnement SOFC (1000 C 700 C) Recherches sur les matériaux de cœur de piles Hautes performances, faibles coûts, durables, tailles Fonctionnement et environnement de la pile Gestion des gaz, de l eau Pb corrosion Durée de vie > 5000h (automobile) Implantation + production + stockage H 2 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 8

9 Verrous scientifiques et technologiques (suite) -PEMFC : Catalyseur sans platine implication sur électrolyte (anionique OH - ) Valoriser «déchets» pétroliers comme nouveaux combustibles (glycérol) -SOFC : Electrolyte conducteur protonique Réduction des épaisseurs Nouveaux matériaux d électrode (perovskites, fluorite) Approche système - Plaque Graphite matériaux emboutissable léger, non corrodable (Acier traité) Bipolaire Coût d une pile : 1/5 : plaque bipolaire 1/5 : électrolyte 1/5 : électrodes 2/5 : le système 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 9

10 La question de l hydrogène Sécurité : validée Infrastructure : Transport, stockage, distribution. (voir Islande, Autoroute de l Hydrogène (Norvège)) 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 10

11 La question de l hydrogène (suite) Distribution 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 11

12 La question de l hydrogène (suite) Distribution 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 12

13 La question de l hydrogène (suite) La production Electrolyse : H 2 O H 2 +1/2O 2 Eolien Solaire (Photovoltaïque et Thermique) Nucléaire Réformage : HC +O 2 (H 2 O) xh 2 + yco Thermique, plasma, 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 13

14 La question de l hydrogène (suite) Le stockage Stockage gazeux hyperbar (en test sur véhicule 300 bar. Etude validée 1400 bar) Hydrures métalliques (Palladium, ) borohydrures (LiBH 4, NaBH 4, ) Nanostructures de carbones 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 14

15 Perspectives d avenir? Applications nomades : Applications transports : Applications stationnaires : 2050 APU : octobre 2009 Journées DCF Polytech 15

16 Perspectives d avenir? Dans ans : plus de pétrole, plus d uranium mais encore de l hydrogène, du soleil, du vent et des idées? 21 octobre 2009 Journées DCF Polytech 16