Après. vecteur des énergies de demain. le pétrole... l' H 2 ydrogène

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Victoire Garon
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1 Après vecteur des énergies de demain le pétrole... l' ydrogène?

I nstitut 287 personnes dont 106 étudiants de Chimie M oléculaire et

fr OBJECTIFS Architectures moléculaires complexes Méthodologie en

Chimie biologique des sucres, rôle des métaux dans le monde vivant,

complexe Matériaux et nanochimie Oxydes métalliques à propriétés

minces Environnement Chimie verte, chimie organique dans l'eau,

Simulation numérique, modélisation moléculaire, chimie quantique

2 I nstitut 287 personnes dont 106 étudiants de Chimie M oléculaire et des M atériaux d'orsay UM R OBJECTIFS Architectures moléculaires complexes Méthodologie en synthèse organique, catalyse asymétrique, chiralité Chimie-Biologie Chimie biologique des sucres, rôle des métaux dans le monde vivant, synthèse de molécules d'intérêt thérapeutique Précipitation d'un complexe Matériaux et nanochimie Oxydes métalliques à propriétés remarquables, métaux, biomatériaux, nanomatériaux, surfaces, couches minces Environnement Chimie verte, chimie organique dans l'eau, dépollution, photosynthèse, hydrogène, catalyse biomimétique Calcul Simulation numérique, modélisation moléculaire, chimie quantique Spectromètre de masse Salle de distillation Spectromètre PRE Contact : Jean-Jacques GIRERD - Directeur Tél : jjgirerd@icmo.u-psud.fr

contrôle des réserves Jules Verne, l'île mystérieuse «Oui mes amis, je crois que l'eau sera un jour employée comme combustible, que l'hydrogène et l'oxygène.

» Cyrus Smith Un cycle écologiquement propre Éolienne stockage des énergies renouvelables grâce à l'eau décomposée en hydrogène ( ) et oxygène (O 2 ) O O 2 2 Éolienne L'eau consommée H Stockage 2 Eau

3 Après le pétrole... l' ydrogène? : vecteur des énergies de demain Émission de gaz à effet de serre = Énergies fossiles sources de pollutions Modifications climatiques Réchauffement de la planète Réserves limitées Conflits pour le contrôle des réserves Jules Verne, l'île mystérieuse «Oui mes amis, je crois que l'eau sera un jour employée comme combustible, que l'hydrogène et l'oxygène... fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d'une intensité que la houille ne saurait avoir.» Cyrus Smith Un cycle écologiquement propre Éolienne stockage des énergies renouvelables grâce à l'eau décomposée en hydrogène ( ) et oxygène (O 2 ) O O 2 2 Éolienne L'eau consommée H Stockage 2 Eau est intégralement restituée Eau Pile à Combustible combustible Électrolyseur Eau Cellules Cellules photovoltaïques Production/Stockage d hydrogène Une chaîne technologique maîtrisée... systèmes éoliens, photo-voltaïques production d'hydrogène par électrolyse Énergie Énergie du vent Énergie solaire du vent solaire transport et stockage utilisation : piles à combustible Énergie des vagues... à optimiser Contact : P. MILLET - Université Paris-sud, ICMMO, Bât. 410, Orsay cedex Tél : pierre.millet@icmo.u-psud.fr

Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sur membrane polymère acide ( PEM ) C. Puyenchet 1, C. Etievant 1, A. Deschamps 1, P.

fr 2- Université Paris-sud, ICMMO, Bâtiment 410, 91405 Orsay Cedex, France; Tél : +33-1.6915.4812, e-mail: pierre.millet@icmo.u-psud.

millions d'euros Soutien région Île-de-France Utilisation des énergies renouvelables Principe de l'electrolyseur PEM 4e - 4e - Électrolyse O 2 O 2 O 4H + 2 2 O Figure 1 : Schéma d une installation

platine Anode Platine/Iridium platine/iridium Membrane Electrolyte Polymère Figure 3: Cellule d électrolyse PEM Figure 4: Microstructure du polymère (Nafion ) utilisé comme électrolyte solide Figure

4 Production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sur membrane polymère acide ( PEM ) C. Puyenchet 1, C. Etievant 1, A. Deschamps 1, P. Millet 2 1- CETH, Innov'Valley Entreprises, Route de Nozay, Marcoussis, France; Tél : , christophe.puyenchet@ceth.fr 2- Université Paris-sud, ICMMO, Bâtiment 410, Orsay Cedex, France; Tél : , pierre.millet@icmo.u-psud.fr OBJECTIFS Développer un électrolyseur du type GenHy 1000 Production d'h2 : 1000 L/h Production d' O2 : 500 L/h PROGRAMME DE RECHERCHE Projet européen GenHy PEM 10/ /2008 ; budget : 2,2 millions d'euros Soutien région Île-de-France Utilisation des énergies renouvelables Principe de l'electrolyseur PEM 4e - 4e - Électrolyse O 2 O 2 O 4H O Figure 1 : Schéma d une installation permettant de capter les énergies renouvelables pour satisfaire les besoins énergétiques domestiques Réaction de la cathode 4H + + 4e - 2 Réaction de l anode 2 O 4e - + 4H + + O 2 Cathode Platine platine Anode Platine/Iridium platine/iridium Membrane Electrolyte Polymère Figure 3: Cellule d électrolyse PEM Figure 4: Microstructure du polymère (Nafion ) utilisé comme électrolyte solide Figure 22: : Maquette illustrant le cycle des énergies renouvelables et le rôle de l hydrogène comme vecteur énergétique Applications industrielles Figure 5 : Mono-cellule de 250 cm² en test Figure 7: Electrolyseur PEM de classe GenHy 1000 pour des applications résidentielles Réservoir d eau pure Figure 6: Electrolyseur PEM de classe GenHy 100 pour des applications en laboratoire Électrolyseur PEM : hydrogène 100L/h

5 Production d'hydrogène par réformage de bio-éthanol. Purification par perméation gazeuse. E. Gernot 1, F. Auprêtre 1, A. Deschamps 1, C. Etievant 1, P. Millet 2 1- CETH, Innov'Valley Entreprises, Route de Nozay, Marcoussis, France; Tél : , eric.gernot@ceth.fr 2- Université Paris-sud, ICMMO, Bâtiment 410, Orsay Cedex, France; Tél : , pierre.millet@icmo.u-psud.fr Les bio-carburants : une façon commode de stocker l'hydrogène OBJECTIFS Production d'hydrogène par réformage de bio-carburant Production de H2 > 99,99999 % pour les applications pile à combustible Résistance aux cycles thermiques ( C) APPLICATIONS Cogénération stationnaire Réformage embarqué pour transport Alimentations électriques de secours Principe du réformage d'éthanol Banc test de réformage d'éthanol Membrane métallique composite Réacteur Pile à Combustible combustible Électricité Electricité et chaleur Bio-éthanol Ethanol Catalytique à Membrane (RMC) ultra pur Applications Hydrogène Température de 600 à 750 C Figure 1 : Principe du réformage (99,99%) Membrane en alliage de Pd Catalyseur en métal noble supporté Laine de quartz Réaction de vaporéformage C 2 H 5 OH + 3 O 6 + 2CO 2 Figure 3 : Banc test Fumée d échappement CO 2, CO, CH 4, Bio-éthanol C 2 H 5 OH Figure 2: Principe du micro réformeur - Purification par perméation gazeuse à travers des feuilles de palladium Mécanisme de perméation 1. Absorption du gaz à la surface du métal Molécule d hydrogène 2. Dissociation en hydrogène atomique : H2 adsorbé 2 Had (1) Absorption (3) Diffusion (2) Dissociation Palladium 3. Diffusion au sein de la membrane : Had Hmétal 4. Recombinaison de H atomique en H moléculaire (4) Recombinaison (5) Désorption 2 Had H2ad 5. Désorption sur la face aval de la membrane Figure 4 : Perméation de travers une membrane de palladium H2 adsorbé H2 (gaz)

Hydrogène et transport C. Puyenchet 1, C. Etievant 1, A. Deschamps 1, P.

de la pile à combustible Structure d'une pile à combustible Hydrogène Air Anode Cathode Air + Eau Tension de la pile:e = E cathode E anode < 1,23

combustible H2/O2 commerciale de 250 W Applications potentielles : le transport urbain Figure 4 : Modèle réduit de véhicule automobile à pile à

6 Hydrogène et transport C. Puyenchet 1, C. Etievant 1, A. Deschamps 1, P. Millet 2 1- CETH, Innov'Valley Entreprises, Route de Nozay, Marcoussis, France; Tél : , christophe.puyenchet@ceth.fr 2- Université Paris-sud, ICMMO, Bâtiment 410, Orsay Cedex, France; Tél : , pierre.millet@icmo.u-psud.fr L'HYDROGÈNE PEUT ÊTRE UTILISÉ POUR DES APPLICATIONS DE TRANSPORT Véhicules non polluants Véhicules silencieux Applications urbaines Principe de la pile à combustible Structure d'une pile à combustible Hydrogène Air Anode Cathode Air + Eau Tension de la pile:e = E cathode E anode < 1,23 volt à 25 C Figure 1 : Principe d une pile à combustible /O2 avec le détail des réactions électrochimiques Figure 2 : photographie d une pile à combustible H2/O2 commerciale de 250 W Applications potentielles : le transport urbain Figure 4 : Modèle réduit de véhicule automobile à pile à combustible-électrolyseur intégré Pile à combustible PEMFC de 250 W Figure 3 : TrotHynet à pile à combustible avec alimentation en hydrog ène par un réservoir d hydrure métallique Stockage d hydrogène basse pression (hydrure métallique)

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17 Production d hydrogène par électrolyse de l eau sur membrane acide PIERRE MILLET Ingénieur de l'école nationale supérieure d'électrochimie et d'électrométallurgie de Grenoble Pour beaucoup d'entre nous,