Solaire et bâtiment basse consommation

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1 Solaire et bâtiment basse consommation Biomasse Véhicule du futur Matériaux pour l énergie Usage sécurisé des nanomatériaux

2 Éditorial Batteries, solaire thermodynamique, biomasse, matériaux innovants : autant de moteurs pour alimenter notre croissance La forte accélération de l activité batteries, le développement de nos recherches en solaire thermodynamique et l arrivée d une équipe «biomasse» ont été les trois points marquants du Liten en Notre effectif s est encore accru de 150 personnes, dont deux tiers d ingénieurs. La mise en place du programme avec Renault a représenté à elle seule une centaine de recrutements et plus de 20 millions d euros d investissements. Notre plate-forme batteries a reçu une bonne partie de ses équipements. Nous avons lancé des actions de grande ampleur pour la réalisation de prototypes, la conception d une électronique de gestion innovante, le développement de nouveaux matériaux Le Liten, allié au Léti et au List, déploie toute sa puissance de feu au service de ce projet majeur. Avec le solaire thermodynamique et la biomasse, nous continuons à élargir la gamme de nos technologies pour les énergies renouvelables. Le solaire thermodynamique mobilise à lui seul une cinquantaine de techniciens et ingénieurs du Liten dans les domaines de la thermique, la mécanique et de l optique ; la biomasse s inscrit naturellement dans notre offre, comme mode de stockage de l énergie et comme source de biocarburant. Il existe des synergies entre ces deux sujets qui recourent à des matériaux et des procédés haute température : dans ce domaine, les activités historiques du CEA en nucléaire nous ont dotés d une expertise unique. Toujours en 2010, le Liten a donné naissance à une nouvelle start-up, Isorg, et approché le seuil des 100 millions d euros de chiffre d affaire. Nos échanges avec l industrie n ont jamais été aussi intenses et passionnants. Des transferts de technologie majeurs se préparent, annoncés par des fabrications de pré-série dans nos locaux : le Liten est pleinement en ligne avec ses objectifs et sa vocation. Didier Marsacq Directeur du Liten

3 Editorial Organigramme Liten Comment collaborer avec le liten? Liten, les chiffres clés Ils témoignent Les temps forts de l année L actualité des start-up Les plates-formes Transports Electriques Batteries Li-ion Nouveaux matériaux pour batteries Gestion des batteries Moyens techniques Démonstrations Pile à combustible Energie Solaire et Bâtiment Le silicium Les cellules Photovoltaïque à concentration (CPV) Solaire thermique à concentration (CSP) Gestion et stockage des énergies renouvelables Nanomatériaux pour l Energie Récupération d énergie Stockage d énergie Electronique organique imprimée Sécurité et usages particuliers des nanomatériaux Procédés industriels haute température Electrolyse haute température de l eau Assemblage des matériaux à haute température Biomasse Publications Web, Crédits photos Rapport d activités 2010 ( 01

4 Organigramme Directeur D. Marsacq Adjoint R. Baccino Assistante : J. Tammone Laboratoire d Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux Directeur de l INES J-P. JOLY Responsable des Programmes B. FILLON Responsable scientifique H. BURLET Responsable Grands Comptes Institutionnels E. LEMAITRE Responsable RH/com S. BAHRI Assistant au Directeur, Suivi Opérationnel des programmes B. VINET CTO Photovoltaïque D. SARTI Département des Technologies Solaires L. CLAVELIER Resp. Programmes : P. MALBRANCHE, P. SERRE COMBE, J-L. SIX Chef de projet LABFAB : D. HESLINGA Département de l Electricité et de l Hydrogène pour les Transports F. MATTERA Resp. Programmes : F. FUSALBA C. LEFEBVRE T. PRIEM Département des Technologies des Nanomatériaux F. GAILLARD Resp. Programmes : P. PANTIGNY A. GRAS Département des Technologies Biomasse et Hydrogène N. BARDI Resp. Programmes : G. LE MAROIS F. LEFEBVRE-JOUD F. LE NAOUR Matériaux et Procédés pour le solaire (LMPS) E. FLAHAUT Procédés et Composants pour l Energie (LPCE) E. BOUYER Composants micro stockage de l Energie (LCMS) R. SALOT Technologies de l Hydrogène (LTH) J. MOUGIN Composants Photovoltaïques (LCP) P-J. RIBEYRON Intégration des Générateurs Electrochimiques (LIGE) L. ANTONI Composants Imprimés (LCI) C. SERBUTOVIEZ Technologie de la biomasse (LTB) K. FROMENT Modules photovoltaiques (LMPV) S. GUILLEREZ Technologie des Composants Piles à Combustible (LCPEM) O. LEMAIRE Technologies des Surfaces (LTS) M. PLISSONNIER Etudes, Evaluation et Démonstrations de procédés pour l énergie (LEED) I. NOIROT-LE BORGNE Stockage de l Energie (LSE) M. PERRIN Batteries Avancées (LMB) S. PATOUX Chimie et Sécurité des Nanomatériaux (LCSN) F. TARDIF Composants Thermiques et Assemblage (LCTA) Ph. BUCCI Systèmes Solaires (L2S) J. MERTEN Composants batteries (LCPB) S. JOUANNEAU Composants pour la Récupération de l Energie (LCRE) E. ROUVIERE Systèmes Thermiques (LETH) P. TOCHON Energétique du Bâtiment (LEB) F. BURGUN susana.bahri@cea.fr 02 )

5 Comment collaborer avec le Liten? Chaque collaboration entre un industriel et le Liten est un cas particulier. Le Liten peut proposer différentes formules d ingénierie financière et de contrat de gestion de la propriété intellectuelle en fonction du sujet, de son degré de maturité : 1) Programmes de R&D Programme de collaboration avec le soutien d un fond incitatif (ANR, OSEO, Europe, FUI, ) : cette formule doit être réservée aux sujets moyen-long termes qui nécessitent l appui de plusieurs partenaires (académiques et industriels). Contrat bilatéral : collaboration ponctuelle dans un domaine parfaitement identifié. Dans ce cas également, le Liten pourra concéder des licences exclusives sur les résultats nouveaux issus du programme. Laboratoire commun : structuration d une équipe commune, engagement réciproque sur plusieurs années avec une exclusivité d exploitation des résultats nouveaux pour le client industriel du Liten. 2) Transfert de technologie Des technologies matures et brevetées sont disponibles sur l ensemble des domaines du Liten. Des accords de transfert technologique sont envisageables avec des acteurs industriels Européens. 3) Création de start-up : création d une nouvelle entreprise sous l impulsion d un ou plusieurs ingénieurs du CEA. Quel que soit le mode de collaboration, il est important de noter que les frais de R&D facturés par le Liten à son partenaire industriel sont éligibles au Crédit d Impôt Recherche dans des conditions particulièrement intéressantes. Contact : Gilles Fanget, Responsable vente gilles.fanget@cea.fr Rapport d activités 2010 ( 03

6 Les chiffres Le Liten, des technologies pour les énergies d avenir Institut de la Direction de la Recherche Technologique du CEA implanté principalement à Grenoble et Chambéry (INES), le Liten (Laboratoire d Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles), est l un des principaux centres européens de recherche sur les nouvelles technologies de l énergie. Sa mission : soutenir l effort français de diversification énergétique par une meilleure intégration des énergies renouvelables notamment pour les besoins en énergie du transport, de l habitat et participer à l amélioration de la compétitivité des entreprises. Interlocuteur incontournable du monde industriel, 400 contrats de recherche partenariale menés chaque année - le Liten est également l un des laboratoires du CEA qui dépose le plus grand nombre de brevets (150 en 2010) et gère un portefeuille de 600 brevets étendus au niveau international. Les activités du Liten sont centrées sur les énergies renouvelables (énergie solaire, biomasse), l efficacité énergétique (véhicules et bâtiments basses consommations, filière hydrogène, gestion des réseaux électriques, ) et enfin les matériaux hautes performances pour l énergie. Ressources humaines : 900 collaborateurs Ressources financières en M Subvention CEA : 30 Non permanents : % 25% 67% Permanents : % Recettes externes : 90 Portefeuille de 600 brevets dont 150 déposés en 2010 Matériaux avancés pour l énergie : 216 Procédés hautes températures : 158 Evolution du chiffre d affaire du Liten en M % 25% 90 18% 62 Energie solaire et bâtiment : % Transports électriques : , ,6 Salariés par secteur d activité Matériaux avancés pour l énergie : 220 Procédés hautes températures : % 17% 23% 36% Transports électriques : 210 Energie solaire et bâtiment : )

7 Ils témoignent «Gagner plusieurs années sur le développement de nouvelles générations de batteries» «A l origine de la collaboration entre Renault et le CEA/Liten, il y a la volonté de prendre très vite un leadership sur le marché du véhicule électrique. Or, les batteries constituent un élément crucial du développement. Aussi, plutôt que de créer nos propres équipes de R&D Batteries ex nihilo, nous avons préféré gagner plusieurs années en nous rapprochant d un laboratoire de recherche technologique très avancé sur le sujet. Renault a également noué d autres partenariats. Mais c est avec le Liten que nous engageons le maximum de moyens. La volonté de réussir est très forte de part et d autre, nous sommes en phase sur la roadmap et les échéances à tenir : les moyens humains et les ressources techniques sont mis en œuvre au moment voulu. Renault va commercialiser quatre véhicules électriques en 2011 et 2012 : les versions 100% électriques du Kangoo et de la Mégane Fluence, ainsi que deux modèles exclusivement électriques, Twizy et Zoé. Les batteries de ces quatre véhicules ont été développées en Asie. En parallèle, nous avons commencé à travailler sur les futures générations de batteries Li-ion, qui seront issues de nos travaux avec le Liten au sein de ce laboratoire commun». Christophe Garnier, directeur du laboratoire commun Renault - Liten «Nous montons en gamme grâce au Liten» «Notre société, créée en 2008, propose des stockages d hydrogène basse pression en rupture avec les solutions existantes : nous stockons sous forme solide, à des pressions 50 à 100 fois plus faibles et avec des rendements bien supérieurs. Le Liten nous accompagne dans une démarche essentielle : passer de l échelle laboratoire, avec des réservoirs de 100 grammes, à des réservoirs industriels de plusieurs kilos. La collaboration est fructueuse car nous partageons une même culture scientifique et technique et que les chercheurs ont une solide culture projet : il y a un interlocuteur central qui pilote l ensemble des activités, un calendrier, des jalons, des recalages rapides en cas d imprévu En cours de projet, nous avons dû réorienter la conception de notre système ; l équipe a parfaitement géré cette étape délicate. Pour McPhy Energy, jeune start-up de 30 personnes, les moyens techniques du Liten sont aussi une formidable vitrine. Beaucoup de nos clients visitent ces installations : ils en ressortent avec une confiance accrue dans notre technologie. Ainsi, tout récemment, une société italienne et une société japonaise nous ont commandé des réservoirs de plusieurs kilos à des fins d évaluation.» Pascal Mauberger, président du directoire de McPhy Energy «ST Microelectronics a réalisé un saut technologique sur les microbatteries» «Dès la création de notre business unit «nouvelles sources d énergie» en 2005, nous avons décidé de collaborer avec le Liten pour développer des technologies disruptives. Plusieurs raisons à cela : leur forte expérience sur le sujet, leur culture orientée applications, leur capacité à faire le lien entre recherche fondamentale et l industrie... En particulier, nous jugions indispensable de valider les schémas d intégration complets de nos composants More than Moore, et le Liten avait les moyens scientifiques et techniques de le faire. Malgré leurs différences de culture et les challenges technologiques, les équipes du site de Tours et celles du Liten collaborent efficacement et partagent la même motivation. Des prototypes de nos microbatteries lithium en couches minces ont été fournis à des clients pilotes, nous comptons créer une activité de production en France et vendre des produits en 2012 car plusieurs applications sont identifiées. En quelques années, STMicroelectronics a réalisé un saut technologique et a beaucoup appris sur ce nouveau marché et sur ces technologies ; ceci, notamment, parce que le Liten avait une excellente connaissance du tissu scientifique national et de ce qu il pouvait nous apporter.» Christian Nopper, directeur R&D de STMicrolectronics (site de Tours) Rapport d activités 2010 ( 05

8 Les temps forts de l année 2010 Expertises et prestations : un partenariat avec Serma Technologies Même s il est doté d un large panel d équipements pour les nouvelles énergies, le Liten n a pas vocation à réaliser des prestations qui ne présentent aucun caractère innovant pour des industriels. Ces missions ont été confiées à un partenaire privé, Serma Technologies, qui pourra utiliser les équipements du Liten afin de mener des missions d essais et de qualification, dans les domaines du stockage de l énergie et des modules photovoltaïques. Mac Phy livre un premier réservoir de stockage de l hydrogène sous forme solide (hydrures métalliques) McPhy Energy, start-up spécialisée dans les réservoirs de stockage d hydrogène solide sous forme d hydrures de magnésium, a livré au Liten un premier réservoir prototype d une capacité d un kilogramme d hydrogène. Il sera testé pour évaluer son comportement dans le temps et couplé à un électrolyseur et à une pile à combustible dans le cadre d un contrat de recherche. Un aventurier en visite au laboratoire Passionné du Grand Nord canadien et sibérien, familier des expéditions en traineau à chien sur des milliers de kilomètres, l aventurier et explorateur Nicolas Vanier a visité le Liten le 26 mai et découvert les piles à combustible, les batteries pour le transport, les locaux de l INES, etc. Christian Estrosi découvre l INES Ministre délégué à l Economie, l Industrie et l Emploi, Christian Estrosi était au CEA Grenoble pour évaluer le niveau d expertise des équipes dans le domaine des batteries. La présence du ministre s inscrivait notamment dans la préparation des choix du gouvernement sur les investissements d avenir. 06 )

9 Carlos Ghosn, un hôte de marque L Alliance Renault-Nissan a l ambition de devenir leader mondial dans le domaine des véhicules électriques. Un choix stratégique qui a motivé la visite au CEA Grenoble de son P-DG Carlos Ghosn, accompagné d une équipe de management franco-japonaise. Ils ont été reçus par Bernard Bigot, Administrateur général du CEA, et Jean Therme, Directeur de la recherche technologique. La convergence bâtiment transport est en marche Toyota et l INES ont inauguré près de Chambéry une «station solaire» pour véhicules hybrides rechargeables. Dix véhicules hybrides Prius fournis par le constructeur seront utilisés pour expérimenter ce nouvel équipement qui concrétise le début de la convergence entre bâtiment et transport électrique. Six projets retenus sur l appel à propositions européen JTI H 2 JTI : Joint Technology Initiatives Six projets de recherche présentés par le Liten en tant que coordinateur ou membre du core-group ont été acceptés début 2010 dans le cadre de l appel à propositions européen JTI H 2. Ils portent sur des sujets hydrogène et pile à combustible. Le voilier Zéro CO 2 fait des tours en Méditerranée Présenté en mars au salon nautique puis mis à l eau en juin à Marseille, le voilier Zéro CO 2 a accompli des tours en Méditerranée entre août et décembre. Il est équipé d un pack batteries de 15 kw et d un système pile à combustible complet de 35 kw développés par le Liten ainsi que d un stockage d hydrogène. Visite de deux hauts fonctionnaires européens Hauts fonctionnaires européens en charge de l innovation et des NTIC, Georgette Lalis et Costas Andropoulos ont visité le CEA Grenoble le 21 septembre. Ils ont notamment découvert trois activités du Liten : les microsources d énergie et composants électroniques organiques imprimés, la plate-forme batteries et les travaux sur la sécurité des nanomatériaux. Une évaluation positive de l AERES Soumis à l évaluation du comité d expert de l AERES, le Liten a fait l objet d un avis global très positif : «Le CEA Liten apparaît comme un outil de transfert technologique très puissant, porté par le développement intense de son marché d application». Parmi les points forts mis en évidence : le haut niveau scientifique et technologique du laboratoire, ses liens étroits avec les industriels et la mobilisation de ses équipes. Rapport d activités 2010 ( 07

10 Les temps forts de de l année 2010 Séminaire «photovoltaïque et nanotechnologies» : 10 pays représentés Le séminaire «Photovoltaïque et nanotechnologies : de l innovation à l industrie» organisé par l INES pendant quatre jours a attiré des participants venus d une dizaine de pays européens. Ces derniers avaient en commun d être engagés dans des projets européens sur le photovoltaïque. Certisolis, premier laboratoire d essais et de certification en photovoltaïque Certisolis, premier laboratoire français d essais et de certification des performances de modules photovoltaïques, a été inauguré au Bourget-du-Lac dans les locaux de l INES. Sur une idée du CEA et porté par le CSTB et le Laboratoire national d essais (LNE), cette nouvelle société s appuie notamment sur l expertise de l INES pour mettre au point les méthodologies de tests et de certifications. Les acteurs de la filière disposent ainsi d un outil pour développer leurs solutions et en garantir les performances. Des technologies solaires et des batteries «éco conçues» Le Liten a signé avec l Ecole Supérieure des Arts et Métiers de Chambéry un accord de collaboration axés sur l éco conception des composants et systèmes pour les technologies solaires et de stockage de l énergie. Seront effectuées en particulier les analyses de cycle de vie (ACV) et les procédés de recyclage. Une thèse sur cette approche dans le domaine des panneaux photovoltaïques a débuté. Prix des techniques innovantes pour un élément bipolaire L élément bipolaire phosphate de fer/oxyde de titane mis au point dans le cadre d un projet avec PSA, Renault et Valéo a reçu un Prix des techniques innovantes pour l environnement attribué par l ADEME. Cet élément de 15 Wh et 24 V est destiné à des véhicules micro-hybrides. Batteries : un réseau national de recherche Accélérer l innovation et le développement de l activité industrielle dans le domaine des batteries : c est l objectif du réseau national de recherche et technologie créé en juillet à l initiative de l Etat. Le CEA Liten est plus particulièrement en charge de la recherche technologique. Des industriels comme EDF, Renault, Air Liquide ou EADS/Astrium ont rejoint ce réseau. 08 )

11 Electronique organique imprimée : création de la société Isorg Créée en mai 2010, ISORG propose une technologie de rupture pour les photo-détecteurs organiques et les capteurs d image de grande surface à haute performance. Ses produits sont fabriqués à partir de matériaux conducteurs et semi-conducteurs issus de la chimie organique, déposés sous forme liquide par des équipements d impression de grande surface comme l héliographie ou la sérigraphie. Il devient ainsi possible de transformer des surfaces de verre ou de plastique en capteurs optiques compétitifs de haute performance : large réponse spectrale (visible et proche infrarouge), possibilité de réponse spectrale sélective, faible consommation, haut rendement de conversion photon-électron. L actualité des start-up du Liten Isorg s appuie sur un portefeuille de 25 brevets du Liten en électronique organique imprimée et vise de nombreux marchés : industriel (photométrie, colorimétrie, capture d image), éclairage, display, médical (imagerie, dispositifs d analyse et monitoring), environnement (contrôle de fluides et de gaz), sécurité (contrôle d accès, scanners, détection d incendie) et électronique grand public. La start-up a démarré des développements spécifiques pour plusieurs clients. Une ligne pilote industrielle qui sera partagée avec les équipes du Liten est en cours de montage sur le site du CEA Grenoble pour être en mesure d assurer une première production dés Rapport d activités 2010 ( 09

12 Premier contrat de développement pour Prollion Créée par la CEA et le groupe Alcen (1700 personnes), Prollion développe et fabrique des accumulateurs et des systèmes batterie sur mesure à partir des technologies Li-ion les plus innovantes. En 2010, la société a débuté un important programme de collaboration avec le CEA : l objectif est de mettre au point les briques technologiques clés. Ce programme se compose d actions sur des nouveaux matériaux intégrés dans des designs d accumulateurs adaptés, ainsi que sur les algorithmes correspondants. Autre événement, la signature d un premier contrat de développement de batteries pour des applications balises de détresse, avec la perspective d une production à partir de Les premiers prototypes ont été fabriqués en vue de développements industriels ultérieurs. PV Alliance démarre une première ligne-pilote appelée LabFab homojonction La ligne pilote LabFab homo-jonction de PV Alliance, située à Bourgoin-Jallieu est maintenant opérationnelle. Cette ligne permet désormais la production en grand volume de prototypes pour soutenir le programme de recherche Solar Nano Crystal. Le rendement moyen sur cellules multi-cristallines atteint 16%. L objectif R&D pour l année 2011 sera de dépasser 17% de rendement moyen et de produire des prototypes industriels à partir du silicium métallurgique purifié par le procédé Photosil. 10 )

13 Des stations de recharge pour véhicules électriques et hybrides Deux plates-formes expérimentales de recharge de véhicules ont été installées sur le site de l INES et au CEA Grenoble. Tester la pertinence d une recharge de véhicule électrique à partir de systèmes photovoltaïques : c est l objectif des deux stations de recharge solaire installées à l INES (12 places) et au CEA Grenoble (6 places). Des véhicules hybrides plug-in ont été fournis par Toyota pour cette expérimentation. Les stations et les véhicules sont instrumentés afin de collecter un maximum d informations, en particulier sur la part d énergie apportée par le solaire. Les plates-formes On peut aussi imaginer qu à certaines périodes, ces stations accumulent de l électricité et la restituent au réseau ou à un logement qui disposerait d une station de recharge individuelle. Ces plates-formes se situent au carrefour entre les applications «transport» et «bâtiment». Rapport d activités 2010 ( 11

14 26 millions d euros investis pour la plate-forme batteries La réalisation de cette plate-forme batteries a été un des projets majeurs du Liten pour 2010 : il a mobilisé plus de 26 millions d euros d investissements et nécessité le recrutement d une centaine de collaborateurs. Cet outil de R&D unique en Europe sera opérationnel en juin Il permet la mise à l échelle et la réalisation de tous les composants de batteries Li-ion, quelle que soit leur technologie. Il peut également accueillir des productions en présérie à des fins d échantillonnage. Parmi les équipements installés, on peut citer un banc d enduction, déjà utilisé pour une première campagne de tests, une spiraleuse (ou bobineuse) permettant de réaliser des bobineaux de différentes tailles et un équipement automatique de remplissage d électrolyte dont la cadence maximale est de 80 cellules/heure. PICTIC, l innovation en composants imprimés La plate-forme PICTIC a été créée fin 2010 pour réaliser la pré-industrialisation de procédés innovants dans le domaine des composants électroniques organiques et préparer le transfert vers l industrie. Elle permettra aussi le prototypage de composants pour des industriels intégrateurs. PICTIC s appuie sur les acquis du projet Printronics du pôle Minalogic. A cette occasion, le Liten avait développé une expertise en formulation des encres électroniques, en architecture de composants électroniques organiques et en procédés de mise en œuvre par impression. Il est devenu ainsi l un des premiers laboratoires au monde à maîtriser une technologie de circuits organiques CMOS entièrement imprimés. La salle blanche PICTIC aura un surface de 600m² et comprendra des équipements d impression : jet d encre et spray ultra son, sérigraphie, héliogravure. Il sera possible d imprimer des fonctions électroniques sur des substrats plastiques de dimension 320 mm x 380 mm. Mise en service de Poudr Innov avec le soutien de l Etat et da la région Rhône-Alpes Dédiée à l exploration de nouveaux marchés en métallurgie des poudres, Poudr Innov a bénéficié d importants investissements : équipements de mise en forme (presses à injecter, fours de frittage, four SPS, ), presse bi-injection pour la réalisation de composants de grandes tailles multimatériaux, appareils de caractérisation tels que le µ-tomographe X (Nanotom, General Electric), un outil d analyse non destructif qui permet de visualiser la structure interne d une pièce et d en réaliser la métrologie 3D. Cette plate-forme doit permettre à l industrie traditionnelle notamment dans le domaine des céramiques ou de l usinage des métaux d accéder à des procédés plus compétitifs pour réaliser des filières complexes. La plate-forme compte à ce jour une quarantaine de membres, industriels, centres de recherche et universitaires compris. 12 )

15 Mégasol, 150 hectares pour de la démonstration Le projet MEGASOL, situé à l intérieur et à l extérieur du centre de Cadarache, positionne le CEA LITEN sur les démonstrateurs solaires à taille réelle. Toutes les technologies seront représentées sur cette de la plate-forme: PV, CPV, CSP. L année 2010 a vu le démarrage de nombreux projets de démonstrateurs : dessalement et production d hydrogène couplés au solaire, énergie solaire basse température avec SAED, solaire haute température avec ALSOLEN et enfin les premiers prototypes à forte concentration avec HELIOTROP. Dans le même ordre d idée, les études concernant l aménagement des terrains à l extérieur des clôtures ont commencées. Elles permettront de répondre, entre autres, à une demande sociétale d acceptation des énergies renouvelables : nouvelles générations de centrales optimisant le coût du productible à l hectare, des unités de stockage en énergie et en puissance, des systèmes de gestion des intermittences, des capacités de stabilisation active de réseau dans des zones décentralisées sans oublier le développement de projets de R&D sur la biodiversité. Plate-forme silicium SUSI L activité «purification du silicium» dans le cadre du projet PHOTOSIL a fourni suffisamment de résultats pour décider le partenaire industriel Ferropem à investir dans un équipement de production qui sera installé sur le site de l INES en En parallèle, le CEA a structuré une activité R&D propre sur l élaboration des wafers sur silicium. Ces études sont menées par une équipe commune avec le CNRS-SIMAP. L activité cristallisation continue de se développer, tant au niveau des équipements avec l acquisition de nouveaux moyens de caractérisation adaptés au silicium de type solaire), que des contrats industriels. Le premier lingot de silicium 650kg a ainsi été réalisé et positionne notre partenaire équipementier ECM dans le peloton de tête des équipementiers dans de domaine de la cristallisation (lire page 23). Stockage thermique Au cours de l année 2010, le LITEN a déployé une plate-forme R&D sur le stockage thermique qui couvre les marchés de l habitat. Les problématiques génériques qui sont adressées tournent autour de la recherche de nouveaux matériaux de stockage (adaptés aux températures visées), les améliorations des technologies existantes (thermoclines) et mise en œuvre des matériaux à changement de phase, la maitrise des échanges thermiques à la charge et la décharge et le travail autour des échangeurs multifonctionnels. Cette plate-forme s adresse à toute la filière du stockage thermique, de la conception et simulation du système de stockage global : par chaleur sensible (180 C à 1400 C), par chaleur latente (avec utilisation de matériau à changement de phase (entre 60 et 300 C) et par stockage thermochimique (stockage inter saisonnier pour l habitat et du solaire à concentration). Enfin, elle permet aussi la réalisation, d études de vieillissement et de durabilité des systèmes de stockage (corrosion ou finition des matériaux) du solaire et de l industrie. Rapport d activités 2010 ( 13

16 Batteries : une plate-forme de R & D unique en Europe Au-delà des infrastructures de prototypage de batteries Li-ion, les efforts du CEA Liten ont porté sur les compétences et les savoir-faire. Un plan de recrutements exceptionnel a été lancé afin d attirer des talents du monde de l industrie et de la recherche. Ainsi, plus d une centaine de techniciens et ingénieurs supplémentaires ont rejoint les équipes. Cette croissance des effectifs nous permet d aborder à la fois les problématiques liées aux nouveaux matériaux, les aspects d industrialisation de packs batteries et enfin l intégration de batteries dans la chaine de traction électrique. Parallèlement, le Liten contribue à la structuration d une filière industrielle «batteries» à travers son accord avec Renault et ses collaborations avec tout un panel d industriels de l amont de la filière (Prayon, Arkema,..) à l aval (Prollion, Tronico, Irisbus, ). Les équipes sont associées à des réalisations inédites comme les stations de recharge solaire pour véhicules électriques ou une station pour bus urbains : autant de démarches qui accélèrent la maturation de technologies innovantes. Transports électriques Un schéma similaire est en œuvre, avec quelques années de décalage, dans le domaine de la pile à combustible : dépôt de brevets, transferts de technologies, intégration de prototypes sur des applications de niche pour des démonstrations grandeur nature Enfin, le Liten affirme sa vocation de «garagiste du futur» en équipant des véhicules de ses technologies pour les faire rouler sur piste ou sur route, les équiper de capteurs divers pour suivre leurs performances et enfin développer les futurs équipements pour assurer la maintenance des véhicules électriques. 14 )

17 Batteries lithium-ion 160 Wh/kg pour un prototype de batterie avec du phosphate de fer à la cathode et du graphite à l anode! Une capacité pratique de 33Ah, correspondant à une énergie massique de 160 Wh/kg a été obtenue sur un prototype de batterie lithium-ion élaboré sur les nouveaux équipements du Liten. L association de phosphate de fer à l électrode positive et du graphite à l électrode négative est adaptée aux applications véhicule électrique pour d une part l énergie embarquée dans la batterie et donc l autonomie restituée au véhicule d autre part, la stabilité physicochimique obtenu lui conférant une haute sécurité. Des caractérisations électrochimiques à des régimes de cyclage plus élevés, représentatifs d un usage automobile, sont en cours. Pour atteindre ce résultat, il a fallu optimiser la composition des électrodes (grammage, rugosité, composition, conditions de mise en œuvre, ), favoriser l imprégnation de l électrolyte au sein des deux électrodes et enfin assurer une mise en boitier parfaitement étanche pour des techniques de soudures relativement pointues. Nouveaux matériaux pour batteries Nanotubes de carbone et silicium, un duo gagnant? Le Liten s est engagé dans le développement de nouvelles électrodes négatives pour batteries lithium-ion, à base de nanotubes de carbone (CNT) et de silicium afin de proposer des batteries avec une densité d énergie supérieure aux solutions actuelles. L introduction de silicium dans l électrode négative participe à ce gain en énergie. Pour mettre en œuvre ce silicium et obtenir une électrode de bonne qualité, il est nécessaire de disperser le silicium sous différentes formes notamment à la surface de nanotubes de carbone. Pour ce faire, un réacteur chimique spécial en lit fluidisé a été modifié pour pouvoir fonctionner sous vide et permettre le dépôt d une fine couche de silicium sur du carbone. L optimisation des paramètres de dépôt (température, pression, débit des précurseurs ) a conduit à la formation d une couche de silicium métallique et cristallin autour du réseau de CNT. La liaison obtenue entre les nanotubes et le silicium est suffisamment intime pour pouvoir tester ce matériau en pile de petite taille. La prochaine étape consiste à travailler sur la formulation des encres à partir de ce matériau composite. Une électrode positive qui dope la densité d énergie 245Wh/kg à 55 C : c est la densité d énergie délivrée par un accumulateur de démonstration dont le matériau d électrode positive est constitué d un oxyde lamellaire lithium-manganèse-nickel-magnésium et de graphite. Cet oxyde est synthétisé de façon à obtenir des particules d environ 400 nm, taille qui optimise le compromis capacité/cyclage. Le système présente une faible autodécharge. Il continue à être testé dans le cadre d un projet avec l Agence Spatiale Européenne (ESA). Vers une batterie totalement IMPRIMABLE et sans usage de solvant organique : pour plus de designs et moins d empreinte environnementale En utilisant un nouveau liant polymère, l acide polyacrylique, le Liten a réalisé des électrodes positives avec du phosphate de fer exclusivement par voie aqueuse imprimable. Les essais d impression par sérigraphie montrent une très bonne adhérence au collecteur en aluminium et une bonne définition des motifs. De plus, ces électrodes ont été testées en cyclage, endurance et puissance : la capacité restituée est proche de la capacité escomptée pour les technologies à base de phosphate de fer élaborées avec des procédés classiques. Rapport d activités 2010 ( 15

18 Gestion des batteries 3% de précision pour l algorithme d état de charge d une batterie Un algorithme de mesure de l état de charge pour des batteries de technologie phosphate de fer a été développé et validé sur banc d essai à l échelle d un module, puis d un pack complet. Il a ensuite été implémenté dans le système de gestion d un pack installé dans un véhicule prototype. Les essais réalisés sur piste, en conditions réelles, ont montré que l erreur sur la mesure était inférieure à 3%, une valeur qui correspond au cahier des charges des applications automobiles. L algorithme a été codé dans le langage Labview. En parallèle, des outils d analyse ont été réalisés pour extraire les paramètres pertinents à partir d essais spécifiques et pour ajuster le critère de fin de décharge. La plate-forme d intégration Labview a permis également d évaluer le comportement de l algorithme en simulation sur PC. Un scooter à batterie lithium monitorée avec précision Un scooter électrique équipé à l origine de batteries au plomb a été doté d une batterie au lithium monitorée par les algorithmes de gestion électrique du Liten. Le gain de masse est de 75 kg, pour des performances au moins équivalentes. Un affichage sur PDA visualise la température et l état de la batterie, une interface «expert» suit en permanence 34 paramètres. Le taux d erreur sur l indicateur d état de la batterie, qui était de 48% avec le plomb, est réduit à moins de 10% avec la nouvelle batterie. Le monitoring du scooter en autonomie et en performance va être poursuivie afin d améliorer encore un peu plus ces algorithmes de gestion et de diagnostic. Mieux prédire le comportement thermique d une batterie Des essais réalisés en chambre climatique sur deux technologies de batteries lithium-ion ont permis d obtenir les données nécessaires au calcul de la capacité calorifique. Ces valeurs expérimentales vont contribuer à fiabiliser le modèle thermique de batterie du Liten. L objectif à terme est de pouvoir prédire puis de contrôler la température d un pack batterie complet. Pour réaliser cette collecte de données, une feuille chauffante avait été placée au milieu d un assemblage de batteries. La chambre calorifique permettait d obtenir un environnement adiabatique : à tout moment, sa température était égale à la température générée par l échantillon qu elle contenait. Des pistes pour mieux recycler les batteries Le Liten étudie des procédés de recyclage des batteries lithium-ion prenant en compte les additifs organiques, liants, électrolytes, ainsi que les rebuts de fabrication. Il a notamment identifié deux procédés : - un procédé de traitement des rebuts d électrodes basé sur la séparation des composants de l électrode par un solvant non toxique, - un procédé de recyclage du phosphate de fer usagé : il repose sur la mise en solution du phosphate de fer, suivie de la séparation du fer et du lithium par précipitation. Le rendement de récupération du fer est supérieur à 99% et le matériau peut être réutilisé pour la synthèse de phosphate de fer. Cette activité s intègre dans une activité plus globale appliquée à toutes les technologies issues du Liten pour lesquelles une analyse du cycle de vie (ACV) est systématiquement réalisée. 16 )

19 Moyens techniques La plate-forme batterie bientôt prête à fonctionner La plate-forme batteries du Liten a reçu tout au long de l année les différents équipements qui lui permettront de fabriquer entièrement des accumulateurs lithium-ion. Ces équipements ont été testés dans la perspective d un démarrage au second trimestre Ont notamment été installés : - un premier banc d enduction comprenant la cabine d enduction, le four de séchage, le système de guidage et d enroulement en sortie de four. Une première campagne a été menée pour réaliser 100 mètres d électrodes positives et autant d électrodes négatives, à une cadence de 0,5 mètre par minute, - une spiraleuse (ou bobineuse) permettant de réaliser des bobineaux de différentes tailles en moyenne série avec des électrodes réalisées sur la plate-forme, - un équipement automatique de remplissage d électrolyte qui remplit les cellules et imprègne les bobineaux avec de l électrolyte, dernière étape accomplie en salle anhydre pour la réalisation des accumulateurs. Sa cadence maximale est de 80 cellules/heure. L enjeu de cette montée en puissance est de réussir le transfert de l expertise «laboratoire» à l échelle préindustrielle, de découvrir les méthodes liées à la production et de fiabiliser peu à peu les paramètres procédé. Une station de 350 kw pour la recharge rapide de bus Une station de recharge de très forte puissance (350 kw) et à faible impact sur le réseau électrique a été installée à Grenoble pour les besoins de bus hybrides rechargeables et de bus électriques à recharge en bout de ligne. Le projet comportait deux challenges techniques : réaliser une ligne de contact facile à intégrer en ville, sans risque de collage lors des passages de courant ; réaliser une alimentation continue capable de recharger plusieurs bus simultanément (soit des puissances jusqu à 750 kw) avec un faible impact sur le réseau. Le bus hybride rechargeable développé par Irisbus minimise la consommation de combustible et roule en électrique dans les zones sensibles à la pollution. Le bus électrique à recharge en bout de ligne, concept innovant, embarque une masse de batteries trois à quatre fois plus faible que celle nécessaire à une autonomie journalière et se recharge partiellement, pendant quelques minutes, à chaque passage en bout de ligne. Rapport d activités 2010 ( 17

20 Démonstrations AX électrique : la route monte, pas la température Un véhicule AX électrique équipé d un pack de batteries phosphate de fer de 10 kwh a réalisé deux parcours sur des routes de montagne présentant de forts pourcentages et un dénivelé élevé. Dans les deux cas, les performances électriques et thermiques ont été excellentes alors que les batteries n avaient pas été conditionnées en température. Le premier parcours représentait 54 km et comportait une côte de 7 km à 10% de pente moyenne. Le véhicule est monté jusqu au sommet, ce qui n avait pas été possible avec les batteries Ni-Cd, et présentait alors un état de jauge de 55%. Pendant cette phase d ascension, la température des batteries a augmenté de 4 C. Le second parcours comptait 96 km et 1500 m de dénivelé, dont une montée de près de 20 km. Le véhicule a tenu sur cette montée une allure le plus souvent supérieure à 50 km/h. La température des batteries a augmenté au maximum de 8 C. Des recharges en 20 minutes sans échauffement significatif Un pack 5 kwh de batteries phosphate de fer, équipé d un équilibrage haute performance, a été rechargé sur une durée ramenée à 20 minutes, contre 4 heures à 6 heures pour les recharges dites «lentes» actuelles. Ces résultats sont prometteurs : échauffement de seulement 14 C malgré une absence de ventilation, dispersion en capacité des éléments de seulement 0,3%. A la fin de la décharge du pack batterie, c est-à-dire juste avant d amorcer la phase de recharge rapide, cette dispersion de capacité est de seulement 0,1%, signe de la très bonne performance de l équilibrage. La réduction des durées de recharge est un enjeu important pour le déploiement des véhicules électriques. Avec des durées ramenées à 20 ou 30 minutes, quelques minutes suffiraient pour donner aux véhicules l autonomie suffisante pour terminer leur parcours ou assurer le suivant (bus à recharge en bout de ligne). Le véhicule WILL de Michelin tient ses promesses Livré à Michelin fin juillet 2010, le véhicule électrique WILL équipé d une batterie réalisée par le Liten, a fait ses premiers tours de roue en septembre et réalisé pendant l automne les différents tests de validation. Les performances sont conformes au cahier des charges de l industriel. Le Liten avait réalisé l architecture d assemblage des cellules ainsi que l électronique de gestion du système de batteries, intégrant en particulier un algorithme d état de charge qui s est avéré précis à 3%. WILL était le premier véhicule électrique doté du système Active Wheel de Michelin. Ce système intègre dans la roue des fonctions telles que suspension active électrique, système de freinage à ventilation forcée, etc. Pack batteries et chaîne de traction optimisés pour le quadricycle lourd C-Zen de Courb Un pack batteries avec du phosphate de fer a été optimisé pour l équipement du quadricycle électrique lourd C-Zen de la société Lyonnaise Courb. Le Liten a réalisé deux châssis prototypes, les a équipés de composants de traction et d auxiliaires électriques. Il a également assuré la mise sous tension et le câblage. Des essais banc moteur vont être menés pour optimiser le rendement de la chaîne de traction. Une électronique spécifique de gestion de l énergie sera également conçue afin de prédire l autonomie du véhicule avant intégration d un pack batterie li-ion complètement innovant (design et conception). 18 )