Production d hydrogène par électrolyse Stockage des renouvelables par l hydrogène Groupes de secours

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1 Production d hydrogène par électrolyse Stockage des renouvelables par l hydrogène Groupes de secours Christophe BIDAULT Responsable Programme Production d hydrogène Jean-Christophe HOGUET Responsable Programme Stockage d énergie Albi (France), 8 avril 2011 Journée Technique Hydrogène Midi Pyrénées HELION Hydrogen Power

2 Agenda Brève présentation de HELION au sein du groupe AREVA Production d hydrogène par électrolyse PEM (15 ) La production d hydrogène dans le monde et ses applications L électrolyse de l eau : principes et technologie : EHT, AWE, PEM Développement et produits électrolyse PEM chez HELION Stockage des énergies renouvelables via l hydrogène (15 ) Pourquoi du stockage d électricité intérêt de l hydrogène Un projet de démonstration : MYRTE Un produit intégré : la Green Energy Box Des démonstrations du produit Green Energy Box : JANUS, RESPIRE Groupes de secours (15 ) Pourquoi des groupe de secours? Développement et produits Groupe de Secours (DGS) chez HELION Retour d expérience de démonstrations HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.2

3 AREVA : Solutions sans CO 2 & EnR Bioénergie Solaire CSP Eolien off-shore HELION Hydrogène & stockage de l énergie HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.3

4 HYDROGEN & ENERGY STORAGE Création Siège Employés Actionnaire Eléments financiers Mars 2001 Aix en Provence, France 60 employés (75% d ingénieurs) 100 % AREVA Renouvelables CA 2009 : 8,8 M Axes de développement Réduction de coût, amélioration performances/fiabilité : Générateurs d H2 par électrolyse de l'eau (PEM) Pile à combustible PEM H2/O2 Développement de solutions de stockage d électricité sous forme d hydrogène Solutions de stockage de l énergie Équipements de production d hydrogène par Activités électrolyse de l eau Équipements de production d électricité par piles à combustible (stationnaire et embaqué) Systèmes didactiques HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.4

6 Chlor-alkali (3,5%) Coal (18%) Water electroly sis(0,5%) Other (1%) Marché de l hydrogène NG (48,0%) Liq. Hydrocarb ons (29%) Source: SRI Consulting 2007 Aujourd hui, le marché de l hydrogène est déjà un marché significatif : ~60 Mt d hydrogène consommés aujourd hui dans le monde La croissance future de ce marché est estimée autour de 5 % / an : désulfuration des carburants et de raffinage de bruts lourds Croissance des applications énergétiques de l hydrogène Production de l hydrogène : 96% de la production mondiale d H 2 reformage de méthane SMR) provient du reformage d hydrocarbures (notamment 48% par contribue de manière significative aux émissions de CO 2 (puisque le reformage des hydrocarbures produit de 9 à 25 kg de CO 2 par kg H 2 ) 4% provient de l électrolyse: émissions de CO 2 quasi nulles si électricité nucléaire ou renouvelable Modèle centralisé mais en voie de décentralisation: 95% centralisé (auto-consommation) 5% décentralisé HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.6

7 Applications de l hydrogène Refineries Traitement des pétroles lourds (sables bitumineux) Désulfuration des produits pétroliers Chemicals Process de synthèse industrielle de l ammoniac (NH 3 ) Production de methanol et divers autres composés chimiques (sorbitol etc..) INDUSTRIAL USES Metal Fats & Oils Electronics Float Glass Fabrication et recuit de l acier (600 Nm 3 H 2 / t Fe 2 O 3 ) Recuit des métaux et métallurgie des poudres Stabilisation des graisses et huiles alimentaires pour leur conservation Production de silicium de qualité électronique Production de verre plat par procédé «float glass». Verre coulé sur une surface d étain fondu dans un atmosphère réductrice (H 2 - N 2 conctenant 5 à 8% d H 2 ) Generator cooling Refroidissement et homogénéisation thermique des pièces mécaniques en frottement comme les alternateurs des centrales électriques. H 2 refueling stations (HRS) Alimentation de flottes de véhicules à hydrogène (ICE ou FCV) ( Marché de démonstration ) ENERGY USES Energy storage Low cost electricity valorization Synthetic fuels Liquid long term storage CO 2 valo. Stockage de chaleur et d électricité sous forme d hydrogène et restitution au travers d une PàC ou d une turbine à gaz notamment pour le couplage aux énergies renouvelables Valorisation de l électricité excédentaire des parcs électrogènes (nucléaires ou renouvelables) pour produire de l hydrogène (à plus forte VA) Utilisation d H 2 dans la production de carburants de synthèse à partir de biomasse, charbon etc Cette transformation sous forme liquide peut permettre d accéder à des moyens de stockage de fortes puissances électriques sur de longues périodes (vs. stockage sous forme gaz : air comprimé ou hydrogène) Valorisation du CO2 (XtL) L hydrogène = vecteur énergétique multi-modal et multi applications HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.7

9 Revue des différentes technologies d électrolyse de l eau actuellement disponibles sur le marché Source: HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.9

10 Fonctionnement d un électrolyseur PEM (Proton Exchange Membrane) HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.10

12 Electrolyseurs PEM chez AREVA/HELION 80 s : AREVA développe un électrolyseur PEM pour des applications aux centrales nucléaires (prévention de la corrosion de circuits de refroidissement) Système 2 électrolyseurs PEM 15 barg 10 Nm 3 /h NPP 2 Nm 3 /h plateforme de tests automatisée (PEPITE) Prototype fonctionnel 10 Nm 3 / h (MYRTE) Stack HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.12

13 Moyens d essais (HELION) Essais de monocellules Essais de stacks Single cell Gas Chromatography 3x25 cm² single cells - up to 20 barg Performance and long term tests Equipment qualification (materials, MEAs, sealing) 4x300cm² stacks 2 Nm 3 H 2 / h up to 50 barg Performance tests Long term tests HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.13

14 Production d hydrogène Plateforme électrolyse PEM 2 Nm 3 H 2 /h Débit d hydrogène Pression de fonctionnement 2 Nm 3 H 2 / h 1 Nm 3 O 2 / h 15 barg Intensité (A) Plateforme de test pour le couplage aux Energies renouvelables Testée durant 1 an au CEA Grenoble dans le cadre du projet PEPITE co-financé par l ANR Time [s] HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.14

15 Production d hydrogène Electrolyseur PEM haute pression 10 Nm 3 H 2 /h Débit d hydrogène Pression de fonctionnement 10 Nm 3 H 2 / h 5 Nm 3 O 2 / h 35 barg Consommation 4,8 kwh/nm 3 Plage de fonctionnement % Point de rosée H2 < - 70 C H 2 dans O 2 < 5 ppmv Point de rosée O2 < - 70 C O 2 dans H 2 < 5 ppmv Augmentation de débit Diminution de la consommation spécifique Plage de fonctionnement étendue (pour couplage EnR) à haute pression : 35bars Diminution des coûts de fabrication Compacité optimisée Purification optionnelle Développement co-financé par Oséo HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.15

16 Electrolyse PEM- Essais de longue durée 3,5 3,0 Average cell voltage [V] Current density [A/cm²] 2,5 2,0 1,5 1,0 Cell voltage [V] Current density [A/cm²] 0,5 0, Time (hours) E Plus de 5000 h sans dégradation significative des 35 barg 40 C HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.16

17 Durée de vie en simulation de couplage aux renouvelables 350 3, , ,5 Intensité (A) Cell voltage [V] 2,0 1,5 1,0 0,5 Reference Ref+3d Ref+6d Ref+9d Ref+11d Ref+14d Time [s] 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Current density [A] Réponse rapide de l électrolyse aux variations de régime et donc à l intermittence des énergies renouvelables Plus de cycles réalisés sans dégradation significative des performances HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.17

19 Les EnR doivent être combinées à des solutions stockage sans CO 2 L exemple du Danemark Le Danemark a eu une politique très volontariste dans les renouvelables et dans l éolien en particulier 67% d énergie renouvelable (éolien) dans la production électrique Cela a conduit à une augmentation de l usage de réserves «thermiques» D où une intensité carbone très élevée: 840tCO 2 /GWh Par comparaison à celle de la France 90tCO 2 /GWh L intégration des énergies renouvelables nécessite d importantes capacités de stockage pour pouvoir être intégrées au réseau Or les ressources fossiles sont également d importants moyens pour stocker de l énergie Comme dans le cas du Danemark, l intégration d énergies renouvelables peut donc s accompagner d une augmentation de l utilisation de ressources fossiles et ainsi aggraver l intensité carbone du mix électrique HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.19

20 Benchmark Solutions de stockage d électricité Source: SIEMENS 2010 presentation to EU Workshop HELION

21 Applications de stockage des EnR Lissage de la production : pour une production EnR moins variable 1 200, ,00 Puissance PV initiale Puissance PV lissée avec un moyen de stockage 800,00 600,00 400,00 200,00 0, HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.21

22 Applications de stockage des EnR Optimisation de la prévision EnR : le stockage est un tampon permettant une production EnR en temps réel égale aux prévisions (à J-1 par exemple) 2000 Puissance éolienne prévue 1800 Puissance éolienne réelle 1600 Déstockage Stockage 0 HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.22

23 Applications de stockage des EnR Ecrêtage de pointes (peak-shaving, time-shift) stocker l électricité quand la demande (ou les prix) est faible et la restituer quand la demande est forte Services systèmes et stabilisation réseau le stockage hydrogène peut agir comme une réserve d énergie secondaire ou tertiaire pour la régulation de fréquence, tension Utilisation des EnR pour produire de l hydrogène carburant ou chimique véhicules à moteur à hydrogène ou à pile à combustible utilisation de l hydrogène et de l oxygène en industrie HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.23

24 Points-clès de l hydrogène pour le stockage des EnR Adapté aux fortes dynamiques des énergies renouvelables (PV, éolien) Electrolyse HP : stockage aisé H2/O2 et coûts d investissement réduits Pile H 2 / O 2 système simplifié, indépendant de l environnement rendement accru par rapport aux piles en air Pas de production de CO 2 ou d utilisation de produits toxiques Aucun bruit Rendement élevé dans le cas de cogénération Pas d auto-décharge Optimisation indépendante de la puissance (kw) et de l énergie stockée (kwh) HELION HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.24

25 HELION Brève présentation de HELION au sein du groupe AREVA Production d hydrogène par électrolyse PEM (15 ) Agenda La production d hydrogène dans le monde et ses applications L électrolyse de l eau : principes et technologie : EHT, AWE, PEM Développement et produits électrolyse PEM chez HELION Stockage des énergies renouvelables via l hydrogène (15 ) Pourquoi du stockage d électricité intérêt de l hydrogène Un projet de démonstration : MYRTE Un produit intégré : la Green Energy Box Des démonstrations du produit Green Energy Box : JANUS, RESPIRE Groupes de secours (15 ) Pourquoi des groupe de secours? Développement et produits Groupe de Secours (DGS) chez HELION Retour d expérience de démonstrations HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.25

26 Projet MYRTE Ecrêtage de pointes sur un réseau insulaire HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.26

27 Le projet MYRTE Démonstration de puissance de stockage d énergie photovoltaïque Centrale PV : 550kWc Ecrêtage de Peak Shaving pointes zone 1 P Tranche 1 : 100kW / 1,75 MWh Tranche 2 : 200kW / 3,50 MWh Récupération de chaleur : cogénération à basse température (60-80 C) Stockage de l énergie zone 2 T' P' T Hydrogène : Nm 3 (~250kg) Oxygène : Nm 3 (~ 2000kg) Pression de stockage : 35 barg :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23: T Été kW installés Stockage de 3.5MWh installés Etudes préliminaires Spécifications techniques et montage du projet Spécifications finales du système Démolition de l ancienne centrale solaire Démarrage de l unité de stockage de 100kW / 1750 kwh R&D : Validation, expérimentation, modélisation Augmentation de la puissance à 200kW Retour d expérience Expérimentation de différentes applications HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.27

28 MYRTE : Principaux composants Electrolyseur Débit d hydrogène : 10Nm 3 / h Pression : 35 barg Plage de fonctionnement : 10 à 100% Pmax Pile à combustible H 2 et O 2 purs Power : 100kW net Sortie AC triphasé sur le réseau HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.28

29 MYRTE : Stockage des gaz H2 & O2 H 2 et O 2 sont stockés dans le même type de réservoirs Les réservoirs sont fabriqués, selon les standards et normes en vigueur, en acier classique, peu coûteux Caractéristiques des réservoirs ~12m long, 2m de diamètre 700Nm 3 H 2 / 23m 3 géométrique Equipé de purge de condensats d eau Réservoir H 2 : 875 kwh HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.29

30 MYRTE : Vue du site Centrale photovoltaïque Bâtiment hydrogène 100kW PAC 10 Nm3/h H2 électrolyseur Poste de transformation Réseau moyenne tension Gestion de la chaleur Refroidissement PAC et électrolyseur + Stockage chaleur Citernes H2 & O2 à 35barg 2800Nm 3 H2 1400Nm 3 O 2 HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.30

31 Brève présentation de HELION au sein du groupe AREVA Production d hydrogène par électrolyse PEM (15 ) Agenda La production d hydrogène dans le monde et ses applications L électrolyse de l eau : principes et technologie : EHT, AWE, PEM Développement et produits électrolyse PEM chez HELION Stockage des énergies renouvelables via l hydrogène (15 ) Pourquoi du stockage d électricité intérêt de l hydrogène Un projet de démonstration : MYRTE Un produit intégré : la Green Energy Box Des démonstrations du produit Green Energy Box : JANUS, RESPIRE Groupes de secours (15 ) Pourquoi des groupe de secours? Développement et produits Groupe de Secours (DGS) chez HELION Retour d expérience de démonstrations HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.31

32 Solution intégrée de stockage Intégration des fonctions électrolyse et pile à combustible dans un conteneur Synegie systèmes électrolyse-pile à combustibles 2 lignes de produits : GB GB Plage de Puissance Energie électrique stockée Energie thermique disponible Consommation d eau 200kWe-2.5MWe 50kWe - 2.5MWe > 2MWh Jusqu à 2.5MWh C <50 HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.32

33 GreEnergy Box : première unité O 2 storage 2 Test and supervision room Greenergy Box TM O 2 H 2 storage 2 storage Greenergy H 2 storage Box TM HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.33

35 Exemple d application court terme Bâtiment autonome ou Green Building 2,60 m Augmente l autonomie du bâtiment, en association avec du PV par exemple Cogénérateur: électricité + chaleur (eau C) Une solution de secours électrique Modulaire: de 50 kw à quelques MW HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.35

37 Le projet JANUS Commune de la Croix Valmer (golfe de Saint Tropez) Subit de fortes variations de population entre l été et l hiver ( population x 10 en été) Souffre de coupures de courant répétées (bout de réseau) Facture d électricité importante A mis en place un agenda 21 en cours de labellisation et a fait le choix stratégique du PV+ Hydrogène Objectifs attendus du projet Janus: Assurer une production «verte» d énergie électrique et thermique des bâtiments municipaux Rendre ces bâtiments partiellement autonomes en énergie et secouru en cas de perte de réseau Réduire la facture énergétique de la commune dans une logique de développement durable Développer une solution, fiable et sûre, et transmissible aux générations futures Faire de la ville une vitrine environnementale sur le plan communal, régional et nationale, voire européenne. Choix techniques et Technologiques La Greenergy Box, d Areva- Hélion: une chaîne Hydrogène comprenant: * une pile à combustible, un électrolyseur, le tout intégré dans une solution containerisée * le stockage hydrogène/oxygène est séparé des moyens d électrolyse et de génération électrique et thermique * pilotage intelligent des flux énergétiques * le tout couplé à une production de solaire Photovoltaïque Mise en œuvre: 2011: 1ère réalisation sur le CLSH (Complexe Loisir Sans Hébergement): 45% d autonomie :mise en œuvre dans 5 autres bâtiments de la commune: jusqu à 85% d autonomie

38 Présentation des sites à installer d ici 2015 Au total: 321KWc de PV 400KW de stockage

39 RESPIRE La Réunion OBJECTIFS: Evaluer de nouveaux modes de gestion d énergie (smart grids) à l échelle d un territoire Démontrer le stockage H 2 en soutien au réseau 5MW 7GWh/an Libérer la file d attente des EnR à La Réunion 4 ans dont 2 ans de tests en opération réelle HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.39

41 Pourquoi des Groupes de secours? High Power PEMFC Backup Power Systems Marie VIALA 26/10/09

42 A response to black outs! Une réponse aux coupures de courant High Power PEMFC Backup Power Systems Marie VIALA 26/10/09

43 Some examples of black outs in Europe Some examples of black outs in Europe Date Location Cause Power capacity Population affected duration 23/08/03 Helsinki Protection problems 615 MW ~ 1h 28/08/03 London Hazardous 725 MW ~ 0,5h 23/08/03 Sweden/ Denmark 28/09/03 Italy 12/07/04 Athens and South Greece Lost of 1200 MW production capacity Cascaded over consumption in Switzerland Lost of a 300 MW generator 6500 MW to 6h MW to 21h MW to 2h 04/11/06 Europe Non respect of standards / regulations, missing coordination between operators? mn to 2h 04/09 Central Asia malfunction occurred on a high-voltage line 100s MW millions? 01/09 South of France Heavy snow 100s MW millions Up to few days High Power PEMFC Backup Power Systems Marie VIALA 26/10/09 UCTE, final report on November 4th 2006 system disturbance

45 Solution HELION Groupe de secours MISTRAL. Large gamme de puissances : kva Grande autonomie dépendant uniquement de la taille du stockage de gaz Fourniture d électricité Haute Qualité permanente (onduleur intégré) Solution non polluante (aucun rejet de CO 2 ) et silencieuse Très haute fiabilité au démarrage (x80 vs. Diesel) Faible maintenance Utilisation intérieure ou extérieure Indépendant de l air ambiant (grâce a la technologie pile à combustible H 2 /O 2 propriétaire HELION) HELION Backup Systems est une solution complète qui remplace avantageusement les systèmes à base de batteries et de générateurs diesel. HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.45

46 Backup power system s specifications Number of start / stop cycles per year Probability of non start up MTBF Mean Time Between Failure MTTR Mean Time To Repair MDT Mean Down Time Life time Few cycles (some for maintenance and auto tests) About 10-3 / starts About 10-4 / h Some hours per action Some tens of hours per action 15 years HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.46

47 Groupes de secours - Marchés précurseurs Fuel cell back-up power systems Telecoms Data Centers Industry Hospitals Getty Images: Digital vision John Foxx Kim Steele - Stockbyte HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.47

48 Développement des piles à combustible HELION Stacks intégrant une conception propriétaire de technologie HELION Haut rendement en H2 / O2 Température : 60 à 80 C 20 to 100 kw 5 to 20 kw 2 to 5 kw HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.48

49 Retour d expérience de démonstration HELION Évolution du produit groupe de secours Industrialisation 2003 R&D 5 kw 2006 Prototype - 30 kw 2008 Pilote: 30 kw 2009 Pré-série: 80 kw Puissance x 20 Puissance massique x 8 Coûts 5 HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.49

51 Retour d expérience HELION Groupe de secours au CEA SACLAY (Projet SAS) GDS 30kW installé en 2006 Secours la cellule de crise nucléaire Stockage de gaz permettant 4h+4h d autonomie 3 ans de REX bloc électrique (don t ASI) Très grande fiabilité au démarrage: sur 164 démarrages, aucune défaillance Niveau de performance inchangé depuis la mise en service : aucun vieillissement des membranes Besoin de très peu de maintenance: 2 visites / an bloc procédé Très facile d utilisation: tests réalisés par les agents du CEA HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.51

52 Retour d expérience des expérimentations de démonstration Stack voltage (V) Power power (kw) Current density (A/cm²) Aucune dégradation des performances observées sur 3 ans d exploitation HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.52

53 Retour d expérience HELION Groupe en fonctionnement chez HELION GDS 30kW installé en 2008 Secours de bancs d essais (EHT) Stockage de gaz permettant 4h d autonomie 3 ans de REX 1ère version conteneurisée Plus de 50 démarrages réalisés Aucune chute de performances constatée Une utilité réelle et démontrée en cas de coupure électrique HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.53

54 Solution HELION Groupe de secours MISTRAL. Large gamme de puissances : kva Grande autonomie dépendant uniquement de la taille du stockage de gaz Fourniture d électricité Haute Qualité permanente (onduleur intégré) Solution non polluante (aucun rejet de CO 2 ) et silencieuse Très haute fiabilité au démarrage (x80 vs. Diesel) Faible maintenance Utilisation intérieure ou extérieure Indépendant de l air ambiant (grâce a la technologie pile à combustible H 2 /O 2 propriétaire HELION) HELION Backup Systems est une solution complète qui remplace avantageusement les systèmes à base de batteries et de générateurs diesel. HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.54

55 Contact Domaine du Petit Arbois Bâtiment Jules Verne BP Aix en Provence cedex 4 FRANCE christophe.bidault@areva.com HELION Hydrogen Power Journée Technique Hydrogène Albi 8 avril 2011 p.55