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 [email protected] 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 [email protected] 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 )

21 Pile à combustible 1500 heures de fonctionnement pour des cœurs de pile à combustible (AME) à 0,25 gramme de platine par kw Des cellules de piles à combustible basse température comprenant des assemblages membranes-électrodes (AME) chargés en platine à seulement 0,25 gr/kw ont atteint plus de 1500 heures de fonctionnement. Pour l une des piles, la dégradation (diminution irréversible de la tension) est restée inférieure à 10% après 1700 heures. Ces performances ont été obtenues avec de nombreux arrêts provoqués des piles, semblables à ceux d un fonctionnement automobile. Cet excellent résultat va dans le sens de la levée des deux verrous majeurs qui pénalisent la compétitivité des piles à combustible : réduction de la quantité de platine et augmentation de la durabilité. La gestion de l eau, identifiée comme source majeure de dégradation irréversible, va faire l objet d une attention particulière. Une nouvelle génération de cœur de pile performante sous hydrogène reformé Une nouvelle génération d AME dont la cathode utilise un nouveau catalyseur bimétallique a obtenu des performances exceptionnellement élevées sous hydrogène impur issu du reformage d hydrocarbures : dans tous les cas, elles sont supérieures à celles des meilleurs AME commerciaux, qui utilisent un catalyseur différent. Cette nouvelle formulation de catalyseur utilisée permet de fonctionner à des densités de courant plus élevées et donc de réduire les coûts. L hydrogène reformé contient des quantités importantes d impuretés, en particulier du monoxyde de carbone qui s adsorbe sur le platine, empoisonne les sites actifs et dégrade les performances de la pile. Le Liten poursuit ses travaux sur ce nouveau catalyseur plus tolérant aux polluants : il va étudier sa durabilité et réaliser des AME grande surface. Fleur, une pile à combustible plus durable et moins chère Des plaques bipolaires 60% moins chères, une dégradation moyenne de seulement 15µV/h/cellule sur 1700 heures : la nouvelle pile à combustible appelée «Fleur» obtient des performances exceptionnelles. Par rapport à la technologie précédente connue sous le nom de Génépac, elle a été modifiée au niveau du joint, du matériau de revêtement et des surfaces des voies des fluides. Les tests de la pile se poursuivent ; l objectif est d obtenir un fonctionnement supérieur à heures. Des essais pour mesurer la respiration d un hydrure De premiers essais ont été réalisés sur un dispositif spécifique pour mesurer l état de compacité d un hydrure métallique, en l occurrence du TiFeMn utilisé pour un réservoir d hydrogène d un tracteur agricole équipé d une pile à combustible. En effet, l hydrure absorbe et désorbe de l hydrogène avec une réaction endo/exothermique, d où un gonflement du matériau ; il faut donc connaître sa compacité volumique après quelques cycles pour concevoir et dimensionner les réservoirs. Les catalyseurs bio inspirés, une nouvelle voie de recherche pour économiser les métaux précieux Des molécules dites «bio-inspirées» à base de métaux non nobles comme le nickel ont montré une activité catalytique prometteuse vis-à-vis des réactions de production et d oxydation de l hydrogène, propres à l électrolyse et à la pile à combustible. Ces nouveaux catalyseurs ont été valorisés par le dépôt d un brevet, une présentation dans une grande conférence internationale et deux publications de très haut niveau. Ces réservoirs d hydrogène pour application agricole ont été ensuite conçus et brevetés. Ils mettent en œuvre un échangeur thermique interne et de l hydrure sous forme de morceaux calibrés, et non de poudre. L alliage retenu est le TiFeMn, qui montre des pressions d équilibre adaptées dans une gamme de température compatible avec le flux de chaleur sortant d une pile à combustible. Un premier réservoir de 300 grammes d hydrogène est en fabrication, en préfiguration de la réalisation du module de stockage définitif, d une capacité de 1 kg. Rapport d activités 2010 ( 19

22 L optimisation des matériaux, un objectif prioritaire Les équipes du Liten à l INES sont dotées depuis 2010 d un nouveau laboratoire dédié aux matériaux pour le photovoltaïque (PV). Son objectif : mettre au point un silicium de «qualité solaire» qui est un intermédiaire entre du silicium métallurgique (impropre à la réalisation de cellules solaires) et du silicium microélectronique (de très bonne qualité et d un prix élevé pour la réalisation de cellules PV) et permettant d optimiser le ratio coût/performances. Aujourd hui, la filière photovoltaïque est très sensible aux évolutions du prix de marché du silicium. Energie Solaire, gestion des énergies renouvelables La course aux cellules et modules à haut rendement continue dans le monde entier. Les annonces de records sont nombreuses et confuses car elles font référence soit à de véritables produits industriels soit à des expériences de laboratoire sans réalité industrielle. Avec un rendement de 21% obtenu sur des cellules à hétérojonction et 19% sur des cellules silicium de type N, l INES se classe à nouveau parmi les leaders mondiaux et dispose encore de marges de progression. 20 ) Enfin, les activités liées au solaire à concentration photovoltaïque ou thermique ont connu une forte accélération et enregistré des résultats de tout premier plan. Ces technologies sont adaptées aux régions du monde à fort ensoleillement direct; pour les entreprises françaises, ce sont autant de marchés à l export qui s ouvrent.

23 Le silicium Cristallisation : des progrès significatifs sur des lingots de 650 kg Les équipes ont franchi des étapes importantes en matière de qualité et de productivité de l étape de cristallisation des lingots de silicium. Sur des lingots de 650 kilogrammes, les plus lourds fabriqués à ce jour, le temps de cycle est compris entre 50 et 60 heures et le gain de matière par réduction des éboutages (élimination d une fine couche de surface) est de l ordre de 4%. Les cellules photovoltaïques fabriquées à partir du matériau prélevé dans les zones habituellement jugées comme défavorables dans un lingot (et donc habituellement éboutées) permettent d obtenir un rendement cellule de 16,2%. Ce résultat est la démonstration que les équipements en cours de validation à l INES sont à même d être intégrés dans une ligne industrielle. Ces actions de recherche en faveur des équipementiers français visent à développer une filière industrielle dans le domaine du photovoltaïque non pas cantonnée à l installation des panneaux solaires mais à l élaboration du silicium, des cellules et modules et aux équipements associés. Plusieurs fours de cristallisation de taille industrielle (lingots de 450, 650 et 800 kilos) sont opérationnels à l INES. Ils permettent la réalisation de travaux de R&D sur l amélioration de la productivité globale de la cristallisation et donc la réduction du coût des cellules solaires. Aujourd hui, le substrat silicium représente près de 40% du prix du module fini. C est la raison pour laquelle ces travaux présentent une importance toute particulière. Un nouveau revêtement pour creuset pour l étape de cristallisation testé avec la société Vésuvius Un revêtement prêt à l emploi pour creuset de four de cristallisation a été testé avec Vésuvius, leader mondial des creusets à application photovoltaïque, sur des lingots de 25 kg. Le rendement cellule est amélioré de 0,4 %. Ce revêtement présente deux avantages : une qualité du silicium plus constante qu avec un revêtement manuel et une moindre pollution du lingot qui permet de réduire l éboutage et d améliorer le rendement cellule. Ce gain en rendement est significatif et participe à la baisse des coûts de cette filière. Rapport d activités 2010 ( 21

24 Les Cellules 21% de rendement sur des cellules dites à hétérojonction Le laboratoire a réalisé des cellules à hétérojonction de silicium amorphe sur un substrat de silicium cristallin, avec un procédé reproductible et industrialisable. Les travaux menés en 2010 ont permis d obtenir des rendements de conversion de 21%, deuxième meilleur résultat mondial après Sanyo pour des surfaces supérieures à 100 cm 2. Le cœur de la technologie est le dépôt à basse température (moins de 200 C) de couches de silicium amorphe hydrogéné sur un substrat de grande surface. Le traitement des surfaces du substrat (passivations de surface) sont d excellente qualité et les valeurs de tension de circuit ouvert supérieures à 730 mv ; là encore, il s agit de la meilleure performance mondiale après Sanyo. Un procédé simplifié avec coûts réduits pour l industrialisation a également été testé en parallèle : le rendement sur cellule s élève alors à 19,8%. Au-delà de la course au rendement des cellules, il est indispensable de se pencher sur la réalisation de modules à partir des cellules à hétérojonction. Cette mise en module des cellules est développée en parallèle pour maximiser le rendement après encapsulation en bénéficiant au mieux des exceptionnelles performances de ces cellules. L objectif des équipes est d atteindre un écart entre cellules et modules d environ 1 % de rendement, la situation fin 2010 est voisine de 1,5 %. Cellules sur silicium de type N : 19% de rendement Le rendement de conversion des cellules sur silicium de type N a été porté de 15,5% à 19% en 2010 grâce à la définition d un procédé de fabrication et de plusieurs briques technologiques, en particulier la diffusion bore à haute température, la passivation de cet émetteur bore et la prise de contacts par sérigraphie. Les rendements obtenus sur grande surface (150 cm 2 ), sans clivage de la cellule, positionnent le laboratoire parmi les leaders mondiaux de cette technologie. Ces cellules bifaces ouvrent la possibilité d une application en modules bifaciaux (récoltant de la lumière sur les 2 faces). En outre, les cellules en silicium de type N présentent l avantage de ne pas se dégrader sous éclairement, contrairement à une tendance observée sur des cellules de type P (phénomène de Light Induced Degradation ou LID). Photovoltaïque à concentration (CPV) Un facteur de concentration supérieur à 1000 sur des modules complets Le CPV est une technologie photovoltaïque qui permet de concentrer la lumière du soleil sur un semi-conducteur par un dispositif optique. Cette concentration peut être moyenne (x50, forte x500 ou très forte x1000). L idée de base est d économiser en surface de semiconducteur onéreux en faisant croître la surface des optiques (lentille). Cette technologie est adaptée au rayonnement direct c est-à-dire à certaines régions du globe (une partie de l Afrique et de l Asie, l Australie, Californie, ) dont aucune ne se trouve en Europe. Les équipes du Liten ont mené des travaux pour optimiser le système optique de capteurs CPV, notamment l optique dite secondaire (réflecteur) sur des modules solaires à concentration basés sur des lentilles de Fresnel. Ce dispositif original a permis d obtenir des facteurs de concentration géométriques élevés supérieurs à 1000 (1024) au niveau de la cellule photovoltaïque sans pour cela accroître son coût. 22 ) Ces travaux ont été menés sur des modules de la société Héliotrop sur un outil de caractérisation et de mesure du flux solaire développé par le Liten. Par ailleurs, le Liten dispose également d un système de mesures des performances des capteurs CPV en conditions réelles sur le site de Cadarache ouvert à tous les acteurs du domaine. Les mesures qui y sont effectuées permettent de tester les performances des produits et d évaluer la précision des codes de simulation employés.

25 Solaire thermique à concentration (CSP) Une première réalisation issue des équipes du Liten à l INES et du partenariat avec le groupe Alcen Depuis maintenant deux ans, les équipes du Liten développent pour le compte du groupe Alcen une technologie CSP basée sur des miroirs Fresnel et un module de stockage thermique dans un lit de roches. Une première maquette de cette technologie a été réalisée sur le site de l INES : 50 m 2 de champ de réflecteurs et focalisation de rayonnement sur un récepteur solaire innovant situé à 7 mètres du sol. Les miroirs offrent la plus haute réflectivité disponible dans l état de l art (95% environ) et ont été dimensionnés pour présenter une faible déformation en torsion et en flexion sous l effet de leur poids et du vent. Le récepteur est alimenté en huile thermique par une boucle fluide dédiée. L INES dispose maintenant d un outil de R&D unique au monde sur cette technologie. Les premiers essais ont permis d atteindre des températures de fluide de 200 C, l objectif étant de parvenir rapidement aux 300 C, température prévue dans les calculs effectués lors de la conception. La maquette de stockage thermique est un réservoir de 1 m de diamètre et de 4 m de hauteur rempli d un mélange de roches de granulométries 3 cm et 3 mm, afin de diminuer d environ 25% la porosité du lit de roches, donc la quantité d huile nécessaire ; celle-ci coûte en effet 6000 euros la tonne. Différentes configurations de types de roches, de granulométries et de matériaux de stockage vont être testées. Premier récepteur haute température pour centrale solaire à tour Les équipes du Liten ont développé et breveté un concept innovant de récepteur à plaques haute température (750 C) sous pression (10 bars) pour centrale solaire à tour. Ce type de centrale thermodynamique permet d atteindre des températures plus élevées mais nécessite la mise au point de matériaux spéciaux. Un prototype a été livré en cours d année au CNRS, il est destiné à la centrale solaire à tour d Odeillo, qui produira de l électricité à partir d une turbine à gaz. Le design de ce récepteur est basé sur des tubes métalliques insérés dans une matrice métallique conductrice, l ensemble étant soudé par compression isostatique à chaud. Principaux avantages : une inertie et une homogénéité thermiques qui garantissent une bonne durée de vie de l appareil. Des performances thermiques au sommet pour un récepteur tubulaire Une technologie innovante de récepteur tubulaire pour centrale à tour a été développée dans le cadre d un projet européen. Par rapport à la solution de référence, les essais de validation montrent une réduction de 80% du gradient de température entre la zone soumise au flux thermique et la zone à l ombre : l appareil ne sera donc pas soumis à de fortes contraintes mécaniques, d où une durée de vie améliorée. Le concept retenu prévoit l assemblage de tubes intérieurs et extérieurs en inconel avec un tube de cuivre par hydroformage. Le récepteur compte 40 tubes de 2,5 m de long disposés en parallèle et délivrera une puissance thermique de 180 kw. Rapport d activités 2010 ( 23

26 Gestion et stockage des énergies renouvelables Stockage couplé au réseau : évaluation d une technologie de batterie dite «redox à circulation» à l INES Une batterie «rédox à circulation» de vanadium de grande capacité (100 kwh d énergie stockée, puissance maximale 10 kw) a été acquise par le Liten afin de valider son utilisation en module de stockage couplé au réseau électrique. Cette technologie prometteuse sur le papier reste pénalisée par un retour d expérience trop réduit pour permettre un développement commercial. L étude effectuée vise à accumuler des données de fonctionnement et ainsi mieux déterminer les applications envisagées. Cette batterie a été raccordée à un champ photovoltaïque de 20 kwc et évaluée selon deux stratégies : limitation des variations de puissance selon le critère issu de l exploitation de grandes centrales photovoltaïques ou contrôle temps réel par comparaison avec un plan de production défini la veille. Ces deux stratégies se sont avérées opérationnelles. De nouveaux tests vont être menés pour intégrer les critères d un nouveau cahier des charges publié récemment. L enjeu est important : l énergie solaire peut induire en fonction de la météo de fortes variations du productible sur des temps courts (10 secondes), d où la nécessité d ajouter un système «tampon» via une batterie rédox. Batteries plomb-acide : une méthode de diagnostic prédictif livrée à Schneider Electric Une méthode de diagnostic du vieillissement et du niveau de charge des batteries plombacide a été développée et livrée à la société Schneider Electric. L industriel l exploite pour des applications de type onduleur, afin de passer d un mode préventif à un mode prédictif dans la gestion de ses batteries. Les tests de vieillissement accéléré de ces batteries ont servi à déterminer des lois linéaires entre la tension de pic du «coup de fouet» en fonction de l état d usure des batteries, donc de prédire leur état de santé. Ces variations de la valeur de tension au cours du vieillissement sont suffisamment intenses pour s affranchir des hétérogénéités initiales entre batteries : il n est donc pas nécessaire d implémenter un mode d auto apprentissage. Des accumulateurs au plomb à forte densité d énergie Grâce à une architecture innovante des collecteurs de courant sous forme de nid d abeille qui servent de support au plomb employé dans ce type de batterie, des performances inégalées ont été obtenues sur un prototype. Le taux d usage des composants est supérieur à la moyenne, proche du double pour le plomb et l acide sulfurique. L architecture est basée sur des collecteurs de courant en carbone galvanisé au plomb. Les électrodes combinent une structure interne en nid d abeille et un cadre externe en carbone vitreux, ce qui améliore la conductivité de la structure en carbone et élargit la technologie vers des applications de plus haute puissance. Les batteries plomb acide ainsi conçues pourraient avoisiner les 100 Wh/kg soit un gain d un facteur 2 par rapport à l état de l art. 24 )

27 Tests probants pour les détecteurs d arcs électriques dans les centrales solaires photovoltaïques Vingt prototypes de détecteurs d arcs électriques ont été testés avec succès sur des modules photovoltaïques installés à l INES. Basés sur une technologie dont le premier brevet date de 2007, ils répondent aux risques de dégradation de la connectique et d ouverture en charge du circuit, susceptibles de déclencher des incendies. A terme, le système pourra aussi couper le courant en quelques centaines de microsecondes. Les tests avaient pour but de vérifier l absence de déclenchements intempestifs et de valider le bon déclenchement sur différents types d arcs, dans des configurations variées. Les détecteurs se sont comportés conformément aux cahiers des charges du client industriel. Il est donc possible de les intégrer dans des boites de jonction en face arrière de modules photovoltaïques proposant d autres fonctions : protection des intervenants, antivol, etc. Une prédiction du productible solaire précise à 3% près L outil d évaluation du productible de modules photovoltaïques mis au point par les équipes du Liten à l INES apporte un gain notable par rapport aux outils existants : ses prévisions sont précises à 3%. Cet outil prend en compte la ressource solaire, la puissance nominale du module, le mode d intégration du module au bâtiment et son indice de performance (coefficient de non linéarité du rendement en fonction de l éclairement). Dans une seconde étape l outil va être complété par une bibliothèque de modèles thermiques. Multisol : une gestion optimisée de l énergie électrique d un bâtiment Le projet Multisol sur l optimisation des flux électriques d un bâtiment intégrant notamment une source photovoltaïque a montré qu il était possible d atténuer sensiblement les pics de consommation, très coûteux et fortement générateurs de gaz à effet de serre. Le dispositif pilote et déleste intelligemment les charges : autoconsommation photovoltaïque optimisée, stockage du chauffage par pompe à chaleur, heures de fonctionnement décalées pour l électroménager etc. Ceci sans dégrader le confort des occupants du bâtiment. Ces travaux s intègrent dans une démarche plus globale d optimisation de l énergie électrique dans les bâtiments mais également dans les réseaux ou bien encore pour les futurs véhicules électriques. Cette thématique devrait constituer rapidement un point fort du Liten. Rapport d activités 2010 ( 25

28 Des technologies en phase pré-industrielle 2010 a marqué un tournant pour les technologies étudiées au Liten depuis de nombreuses années : les microbatteries développées avec STMicroelectronics Tours et les micropiles à combustible réalisées avec Bic sont entrées en phase de prototypage à grande échelle, en préalable à une production de masse qui devrait démarrer d ici deux ans. Dans le cas des microbatteries avec STMicroelectronics, le prototypage a même débuté dans les locaux du Liten en parallèle aux travaux de R&D pour échantillonner certains clients. En parallèle, le Liten a accentué ses efforts sur des technologies émergentes de microsources d énergie qui, d ici quelques années, devraient elles aussi être transférées à l industrie. En particulier, les composants pour la récupération d énergie se multiplient et laissent entrevoir de nouvelles fonctions à forte valeur ajoutée, par exemple la mesure haute sensibilité du flux thermique. Nanomatériaux pour l énergie L électronique imprimée est également en forte croissance, comme le montrent la création de la plate-forme PICTIC et la naissance de la start-up Isorg. Une série de démonstrateurs technologiques a été conçue pour tester l usage de composants électroniques imprimés auprès de certains clients. Dans le domaine de la sécurité des nanomatériaux, les travaux sur l interaction entre les nanoparticules et les outils de protection des salariés ont permis de confirmer par exemple l efficacité des gants de protection couramment employés. L équipe dédiée à cette activité est connue mondialement et devrait être accompagnée par les Investissements d Avenir. 26 )

29 Récupération d énergie Les nano-fils à jonction radiale, une troisième génération de cellules photovoltaïques? Le Liten a acquis la maîtrise de deux briques technologiques essentielles pour la réalisation de cellules photovoltaïques basées sur des nano-fils de silicium à jonction radiale : - la croissance par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de champs de fils orientés verticalement, avec contrôle du diamètre, de la densité et du dopage. Cette croissance s effectue à 500 C, - le dépôt conforme par CVD d un émetteur de silicium de type n sur les champs de fils, pour la formation de la jonction p-n radiale. Ces deux résultats rendent possible la réalisation de cellules à jonction radiale. Ces dernières pourraient constituer à terme une troisième génération technologique de cellules, alliant rendement élevé et coût de fabrication faible. L interconnexion monolithique pour la récupération d énergie dans les bâtiments Les performances d un mini-module photovoltaïque pour récupération d énergie dans les bâtiments ont été améliorées de plus de 50% grâce au remplacement du procédé d interconnexion des cellules solaires. L interconnexion monolithique par gravure permet de connecter 14 cellules en série, contre 5 maximum avec l interconnexion par fils métalliques. Le module a une surface de 10 cm 2 et fournit 50 µw et 2,3 V sous 400 lux, contre 1,5V sous 1000 lux pour la version antérieure. Un capteur de flux thermique réalisé par procédé d impression Le Liten met au point les techniques de réalisation d un capteur flexible de flux thermique intégré dans un vêtement et fabriqué par technologie d impression. Il offre une sensibilité de 28 mv/w/cm 2, deux fois plus élevée que celle des capteurs commerciaux. Ce capteur est réalisé grâce à l impression par spray d encres thermoélectriques sur un substrat en polyimide de 75 µm d épaisseur. La formulation contient un très faible taux de polymère et le dépôt conducteur obtenu a une très haute flexibilité. L application visée est l équipement de pompiers en intervention : ces derniers pourraient être alertés sur des élévations de chaleur critiques, parfois difficiles à ressentir dans un contexte d activité intense sur un sinistre. Modélisation de la conductivité thermique de nanofils Si-Ge pour des applications liées à la thermoélectricité Un modèle théorique a été développé pour calculer la conductivité thermique de nanofils Si-Ge sous forme d alliage, en fonction de la concentration de l alliage et du diamètre du nanofil. Les calculs sont en bon accord avec des résultats expérimentaux récemment publiés. Ils montrent notamment une faible dépendance de la conductivité thermique avec le diamètre du nanofil. Ce modèle sera utilisé pour la conception de nanodispositifs thermoélectriques, application dans laquelle les nanofils en alliage nanostructuré pourraient être des éléments clés. Rapport d activités 2010 ( 27

30 Stockage d énergie 3,6 W pour une micropile à combustible de technologie planaire avec son stockage d hydrogène sur demande Une micropile à combustible de technologie planaire élaborée intégralement avec des polymères a été directement connectée à une cartouche d hydrogène réalisée par la société Bic. La puissance moyenne générée par ce système fluctue autour de 3,6 W, ce qui correspond à une consommation d hydrogène de 60cc/min. Ces spécifications, qui peuvent encore être améliorées, rendraient possible une utilisation dans un téléphone mobile. L assemblage de la micropile est entièrement réalisé avec des matériaux recyclables. Une vanne de purge permet d éliminer l eau produite en cours de fonctionnement. Cette vanne sera directement alimentée par la pile, de même que les autres périphériques (ventilateurs, capteurs) nécessaires au bon fonctionnement du système. En 2010, la société BIC a affirmé son soutien aux travaux du Liten sur cette technologie en prenant à son compte à la fois les cartouches émettrices d hydrogène et la pile à combustible. Un drone libellule alimenté par des microbatteries Un drone dont le poids et l envergure seraient proches de ceux d une libellule est développé avec la société Silmach avec le support de la DGA. Un programme a été mené pour valider l intégration sur un même substrat silicium des microactionneurs qui activent les ailes de la libellule et des microbatteries en couches minces qui les alimentent. Un procédé de fabrication commun a été validé après analyse fine des étapes pour élaborer les deux composants (microactionneurs et microbatteries). Une démonstration du système complet microbatteries + micromoteurs + élévateur de tension a été menée avec succès. Ce projet devrait se conclure par le dépôt d un brevet commun et une proposition de ce concept à des industriels. Mise au point de deux nanofluides aux propriétés thermiques exaltées, une voie originale pour le stockage Deux formulations de nanofluides aux propriétés thermiques exaltées ont été mises au point pour le compte de la société Areva. Elles pourront être utilisées respectivement pour refroidir instantanément les réacteurs en cas d accident de criticité, et pour améliorer le rendement de refroidissent en fonctionnement nominal. Ces formulations à base d oxyde d aluminium et d oxyde de zinc se présentent sous forme de poudres autodispersantes de nanoparticules qui au contact de l eau, forment instantanément un nanofluide. Par rapport au produit de référence, la conductivité thermique est 30 à 50% plus élevée que les fluides thermiques concurrents. 28 )

31 Electronique organique imprimée Un photodétecteur à large bande spectrale Un démonstrateur composé de trois photodétecteurs organiques a été réalisé avec la start-up Isorg, issue du Liten et créée au cours de l année Les composants électroniques organiques de ces détecteurs comportent un mélange de deux semi-conducteurs de type p et n. L efficacité des photodétecteurs (EQE) est supérieure à 50% dans le domaine du visible et a été élargie depuis les premiers travaux jusqu au proche infrarouge. Les performances optoélectroniques sont stables dans le temps en conditions standard, cela signifie que la nature organique des composants électroniques n entraîne pas de vieillissement prématuré. Ces détecteurs pourraient être utilisés en radiographie médicale et dans des applications industrielles en cours de définition. Un des démonstrateurs permet de détecter un mouvement, de mesurer le nombre d objets dans un lieu, de détecter un pointeur laser. Un clavier d ordinateur sans contact à base de photodétecteurs organiques est en cours de réalisation. Pour rappel, cette famille de composants électroniques permettra d introduire de l intelligence dans des produits de la vie de tous les jours. Réalisation d un oscillateur et d un convertisseur pour STMicroelectronics à partir d un composant électronique organique Le développement des procédés d impression de composants CMOS à base de semi-conducteurs organiques a donné lieu à la réalisation d un oscillateur et un convertisseur analogique - numérique pour STMicroelectronics, plus particulièrement les équipes de Catane. Les choix technologiques se sont orientés vers un niveau métallique source/drain structuré par laser excimer et des semi-conducteurs n et p, le diélectrique et enfin la grille imprimés par sérigraphie. Pour l oscillateur, la réponse électrique du circuit est obtenue jusqu à des tensions d alimentation de 10 V. Les fréquences d oscillation sont de 80 Hz à 40 V, 50 Hz à 30 V, 20 Hz à 20 V. Filtres imprimés : des fréquences ajustables du mégahertz au gigahertz Un modèle physique de réponse en fréquence a été conçu pour les filtres RF imprimés développés avec STMicroelectronics à Tours. Les calculs, confirmés par des mesures expérimentales, montrent que ces circuits filtrent à des fréquences ajustables dans la gamme du mégahertz et du gigahertz. Ces résultats sont exploités pour définir le design des composants. Le Liten développe par ailleurs des procédés d impression par sérigraphie et de structuration laser pour les résistances, les inductances et les capacités, qui sont réalisés sur substrat en polyéthylène naphtalène. Ces filtres RF imprimés sont destinés à des applications dans la téléphonie mobile. Rapport d activités 2010 ( 29

32 Electronique organique imprimée Cellules solaires organiques : enfin un film barrière bas coût Pour protéger des cellules solaires organiques en couches minces contre l eau et l oxygène, il n existe à ce jour que des films barrières élaborés par dépôt sous vide, à un coût trop élevé pour les marchés visés. Le Liten a mis au point un procédé intégralement humide et bas coût qui lève cette limitation. Ainsi, une couche inorganique obtenue par irradiation d un précurseur liquide est déposée sur un support plastique. Une seule couche suffit pour obtenir des caractéristiques suffisantes. En particulier, les propriétés barrières à l eau sont améliorées d un facteur D autres améliorations du procédé ont permis d obtenir pour l encapsulation des photodétecteurs organiques un niveau de protection ultra haute barrière. Des transistors organiques plus résistants au stress électrique Des transistors organiques de type p-mos présentant une mobilité en régime saturé de 2,3 cm 2 /Vs ont été réalisés. Cette résistance accrue au stress électrique est due à des modifications des couches d interface entre le plastique agissant comme substrat et le semi-conducteur, et entre le semi-conducteur et les électrodes d or. Le semi-conducteur a été déposé par héliogravure, le diélectrique et la grille sont imprimés par sérigraphie. Ces transistors deviennent ainsi compatibles avec des applications d adressage pour les écrans. Des matrices actives dédiées à cette fonction ont été réalisées. Etudes de vieillissement sous stress mécanique Le vieillissement de transistors organiques sous stress mécanique a été étudié avec l Ecole des Mines de Saint Etienne à Gardanne. Les transistors de type p issus de semi-conducteurs polymères présentent une augmentation réversible de la mobilité, que le stress soit parallèle ou perpendiculaire au canal du transistor. Un phénomène similaire a été observé lors des études de pliage réversible : la mobilité augmente puis revient à son état initial après 12 heures de relaxation. Lors de stress prolongés, la perte définitive des propriétés électroniques intervient après 3000 cycles. 30 )

33 Sécurité et usages particuliers des nanomatériaux Gants de protection et nanoparticules en solution : premières mesures d efficacité Le Liten a mené les premiers essais de mesure d efficacité de gants de protection contre les nanoparticules en solution. Une cellule de diffusion spéciale a été réalisée pour l occasion. La détection s est appuyée sur deux techniques complémentaires pour déterminer la distribution granulométrique et la concentration en éléments chimiques des particules d intérêt. Les premiers tests pour lesquels les gants sont mis en contact avec des solutions de nanoparticules ont montré que les gants en nitrile et en latex avaient une durée d efficacité conforme à leur durée habituelle d utilisation. Cette étude a valu au Liten une reconnaissance de niveau mondiale et a permis la labellisation d un équipement d excellence : un microscope TEM va être financé et installé pour mener des analyses chimiques fines et poursuivre ces travaux sur d autres types de gants, ainsi que sur des blouses. Marquage de papiers de sécurité pour lutter contre la contrefaçon, un coût divisé par 20! Un nanotraceur anti-contrefaçon pour papier de sécurité a été développé à la demande du papetier Arjo-Wiggins. Le coût de la solution technique développée par les équipes du Liten est vingt fois plus faible que celui du marqueur actuel (75 euros par kg au lieu de 1500), la signature optique est identique. Ce nanotraceur peut être conservé durablement sous forme solide avant emploi, et s utilise dans les équipements de production existants : il se disperse instantanément dans la pâte à papier. Il est élaboré par synthèse solide à partir de produits bon marché du commerce. Un modèle pour le calcul de la diffusion des nanoparticules dans les sols Un modèle de transport en phase aqueuse de nanoparticules dans les sols a été mis au point et validé expérimentalement. Il prend en compte la taille des particules, ainsi que la force ionique et les variations de composition chimique de la solution. Ce modèle a été appliqué avec succès à l interprétation de données expérimentales obtenues lors de tests sur des sols dans lesquels des nanotraceurs de différentes tailles ont été injectés à différentes concentrations. La synthèse par micro-ondes améliore la cristallisation Des nanoparticules parfaitement cristallisées de ZnO, CuInSe ou CuInGaSe ont été obtenues par un procédé de synthèse par voie micro-ondes, permettant de chauffer localement et rapidement (10 secondes à 15 minutes) les particules à de fortes températures. Ce procédé est plus performant que les voies conventionnelles par chimie douce pour obtenir une cristallinité suffisante pour la fabrication de cellules photovoltaïques ou l élaboration de nanofluides. La taille des particules obtenues est comprise entre 10 et 100 nm. La synthèse par voie micro-onde est applicable à la plupart des oxydes, se prête à de multiples modifications de paramètres (température, pression, ph, concentration en réactifs ) et peut être industrialisée après des modifications qui permettront de travailler en continu. Rapport d activités 2010 ( 31

34 De nouvelles clés pour accroître le rendement des procédés Le Liten, Institut du CEA, disposait de savoir-faire «historique» en matériaux et procédés haute température grâce à son activité dans le nucléaire. Ces expertises trouvent de nouveaux débouchés dans le développement des énergies renouvelables et l efficacité énergétique avec par exemple la mise au point de technologies dédiées à l électrolyse de l eau pour produire de l hydrogène ou à l exploitation de la biomasse pour produire des biocarburants : elles constituent souvent la clé de l innovation, qu il s agisse de concevoir des composants, de les assembler ou d améliorer leur fiabilité. Procédés industriels haute température Un nouveau thème de R&D est apparu en 2010 : la torréfaction, appelée à monter en puissance pour rentabiliser la filière biomasse à travers la diminution des coûts de broyage et la réduction des volumes utiles. Les différentes études sur ce sujet mobilisent déjà plus d une dizaine de partenaires autour du Liten. 32 )

35 Electrolyse haute température de l eau Un empilement de 5 cellules d un dispositif d Electrolyse de la Vapeur à Haute Température testé sur 3000 heures Le Liten a réalisé sur cinq cellules d électrolyse de la vapeur d eau à haute température (EVHT) empilées les unes sur les autres l essai le plus long jamais reporté dans la littérature. D une durée de 3000 heures, il a été mené à 800 C, pour une densité de courant de 0,5A/cm 2. Une durée de 1000 heures était un minimum pour extrapoler les taux de dégradation à heures, durée de vie visée pour les futurs EVHT commerciaux : le laboratoire dispose donc de données pertinentes pour optimiser sa technologie. Sur les trois cellules centrales de l empilement, le taux de dégradation était voisin de 8% après 1000 heures en l absence de revêtements de protection pour résister aux phénomènes de corrosion. L ajout de ces revêtements s est traduit par un recul du taux de dégradation à 2% lors d un nouvel essai. Des mesures fines par spectroscopie d impédance ont montré que la dégradation était majoritairement due à des pertes ohmiques, des analyses post-test serviront à identifier et à traiter le phénomène majoritaire. Etanchéité à l hydrogène : la contrepression fait ses preuves Dans les dispositifs de production d hydrogène par électrolyse, les problèmes d étanchéité sont complexes mais leur résolution incontournable. Un taux de récupération de l hydrogène de 90% a été obtenu sur un empilement de trois cellules EVHT placé dans une «boîte» dans laquelle de la vapeur d eau est injectée sous pression et débit contrôlé. Cette architecture ne comporte pas de joint d étanchéité, d où un coût réduit. Le serrage du stack est assuré par application d une charge gravitaire au travers d un soufflet métallique soudé sur l enceinte de la boîte. Plusieurs cycles ouverture-fermeture de la boîte ont été réalisés et ont confirmé le niveau d étanchéité. L objectif des équipes est maintenant d évaluer ce taux de récupération de 90% sur la durée et de déterminer la contrepression minimum à appliquer. Rapport d activités 2010 ( 33

36 Assemblage des matériaux à haute température Un échangeur/réacteur compact en SiC de taille industrielle Un échangeur/réacteur compact en carbure de silicium a été réalisé par le Liten et peut être considéré comme l état de l art mondial de par sa taille et son architecture. Avec ses 80 cm de long, ses 30 cm de large et ses 20 cm de haut, il totalise une masse de 200 kg dont 50 pour le système de support du catalyseur. Ce composant peut être employé à des pressions élevée jusqu à 5 bars et des températures de gaz caloporteur de 850 C. Cet échangeur/réacteur, développé en tant que composant central des cycles thermochimiques pour la production d hydrogène, pourra être adapté aux besoins de l industrie des biocarburants, de la chimie ou de la pharmacie. Ses onze plaques ont été assemblées par brasage via le procédé Brasic, développé par le Liten pour le carbure de silicium. Conception d un échangeur/réacteur MULTIFONCTIONNEL Les réactions de synthèse chimique dépendant toutes de la température. Les chercheurs travaillent sur le couplage des opérations de réaction et d échange thermique au sein du même appareil. C est le concept d échangeur multifonctionnel ou échangeur/réacteur. Dans ce cadre le Liten a conçu, dimensionné, fabriqué et caractérisé un prototype d échangeur/réacteur (projet RAPIC) qui répond aux critères de performances en termes de transferts mais aussi de conversions et rendements d un industriel de la chimie. Il se doit d être polyvalent et flexible, compétitif et extrapolable pour espérer un développement industriel. Sa structure géométrique repose sur le principe des échangeurs à plaques. L échangeur/ réacteur est donc constitué d un empilement de plaques de refroidissement et de plaques «réactionnelles» sur chacune desquelles est gravé le canal ondulé. Les premiers tests montrent que : - l échangeur peut fonctionner à des températures élevées (60 C), accélérant ainsi les cinétiques de réaction - on peut faire des conversions élevées : placement de plusieurs échangeurs/réacteurs en série ou en parallèle pour atteindre les débits de production souhaités - les temps opératoires sont courts. Les conversions complètes sont atteintes au bout de quelques secondes dans l échangeur/réacteur. Les prochaines étapes sont la transposition chez l industriel partenaire et la valorisation du concept pour d autres applications. et pour un arrière corps de moteur d avion Une solution d assemblage innovante est en développement pour les sous-éléments d un arrière-corps de moteur d avion en composite à matrice céramique. La température maximale de brasage est fixée à 1100 C, l épaisseur des joints doit être comprise entre 100 µm et 1 mm. Un ancrage mécanique par infiltration de la brasure dans le composite devrait permettre d atteindre les valeurs cibles de rupture mécanique. Trois brevets ont été déposés pour protéger ce savoir-faire unique et rare. 34 )

37 Biomasse Torréfaction : premières études, premiers projets La torréfaction est une des solutions envisagées pour préparer la biomasse au passage dans un réacteur à flux entraîné.cette étape préliminaire permet d alléger l étape de broyage, donc son coût, et d obtenir un matériau à bonne densité énergétique. Plusieurs projets ont été menés dans ce domaine, le plus souvent avec des partenaires : - étude comparative de différentes biomasses : 17 biomasses ont été torréfiées à trois niveaux de température pendant plusieurs heures, puis classées en trois familles dont le comportement a été modélisé. Il est ainsi possible de prévoir la cinétique de perte de masse de l ensemble des biomasses entre 230 C et 280 C - évaluation de l intérêt de la torréfaction sur le coût énergétique du broyage du bois : un optimum doit être trouvé car plus la température de torréfaction s élève, plus la perte de masse est importante. Des essais ont notamment été menés sur la torréfaction rapide, à des températures jusqu à 350 C - modélisation de cinétique de perte de masse par additivité des composés de la biomasse : cette étude a été menée à partir d essais de torréfaction sur quatre échantillons de biomasse, à différents paliers de température. La loi d additivité qui en résulte est valable jusqu à 280 C. Rapport d activités 2010 ( 35

38 Publications LITEN 2010 Andre, J., Guillet, N., Petit, J.-P., Antoni, L Development of a reference electrode for a PEMFC single cell allowing an evaluation of plate potentials (2010) JOURNAL OF FUEL CELL SCIENCE AND TECHNOLOGY, 7 (4), pp Véhicule électrique et hybride électrique Dedryvere, R, Foix, D, Franger, S, Patoux, S, Daniel, L, Gonbeau, D Electrode/Electrolyte Interface Reactivity in High-Voltage Spinel LiMn1.6Ni0.4O4/Li4Ti5O12 Lithium-Ion Battery (2010) JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C, 114 (24): JUN Marx, N., Croguennec, L., Carlier, D., Wattiaux, A., Cras, F.L., Suard, E., Delmas, C. The structure of tavorite LiFePO4(OH) from diffraction and GGA + U studies and its preliminary electrochemical characterization (2010) DALTON TRANSACTIONS 39 (21), pp Marx, N; Croguennec, L; Carlier, D; Bourgeois, L; Kubiak, P; Le Cras, F; Delmas, C Structural and Electrochemical Study of a New Crystalline Hydrated Iron(III) Phosphate FePO4 center dot H2O Obtained from LiFePO4(OH) by Ion Exchange (2010) CHEMISTRY OF MATERIALS 22 (5): Perez, H, Morin, A., Akrour, L., Cremona, C., Baret, B., Haccoun, J., Escribano, S., Etcheberry, A Evidence for high performances of low Pt loading electrodes based on capped platinum electrocatalyst and carbon nanotubes in fuel cell devices (2010) ELECTROCHIMICA ACTA 55 (7): Sel, O (Sel, Ozlem); Soules, A (Soules, Aurelien); Ameduri, B (Ameduri, Bruno); Boutevin, B (Boutevin, Bernard); Laberty-Robert, C (Laberty-Robert, Christel); Gebel, G (Gebel, Gerard); Sanchez, C (Sanchez, Clement) Original Fuel-Cell Membranes from Crosslinked Terpolymers via a «Sol-Gel» Strategy (2010) ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS, 20 (7): APR Lyonnard, S (Lyonnard, S.); Berrod, Q (Berrod, Q.); Bruning, BA (Bruening, B. -A.); Gebel, G (Gebel, G.); Guillermo, A (Guillermo, A.); Ftouni, H (Ftouni, H.); Ollivier, J (Ollivier, J.); Frick, B (Frick, B.) Perfluorinated surfactants as model charged systems for understanding the effect of confinement on proton transport and water mobility in fuel cell membranes. A study by QENS (2010) EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL-SPECIAL TOPICS, 189 (1): OCT 2010 Billy, E., Maillard, F., Morin, A., Guetaz, L., Emieux, F., Thurier, C., Doppelt, P., Donet, S., Mailley, S. Impact of ultra-low Pt loadings on the performance of anode/cathode in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (2010) JOURNAL OF POWER SOURCES 195 (9): Clochard, M.-C., Berthelot, T., Baudin, C., Betz, N., Balanzat, E., Gébel, G., Morin, A. Ion track grafting: A way of producing low-cost and highly proton conductive membranes for fuel cell applications (2010) JOURNAL OF POWER SOURCES 195 (1), pp Perrot, C., Gonon, L., Marestin, C., Morin, A., Gebel, G. Aging mechanism of Sulfonated poly(aryl ether ketone) (spaek) in an hydroperoxide solution and in fuel cell (2010) JOURNAL OF POWER SOURCES 195 (2), pp Kachmar, A., Vetere, V., Maldivi, P., Franco, A.A. New insights in the electrocatalytic proton reduction and hydrogen oxidation by bioinspired catalysts: A DFT investigation (2010) JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 114 (43), pp Dubau, L., Maillard, F., Chatenet, M., Guetaz, L., Andre, J., Rossinot, E. Durability of Pt3Co/C Cathodes in a 16 Cell PEMFC Stack: Macro/Microstructural Changes and Degradation Mechanisms (2010) JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, 157 (12): B1887-B Fugier, P., Passot, S., Anglade, C., Gútaz, L., Guillet, N., De Vito, E., Mailley, S., Franco, A.A. Ptx Coy catalysts degradation in PEFC environments: Mechanistic insights: II. Preparation and characterization of particles with homogeneous composition (2010) JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, 157 (6), pp. B943-B951 Gabriel, M.A., Genovese, L., Krosnicki, G., Lemaire, O., Deutsch, T., Franco, A.A. Metallofullerenes as fuel cell electrocatalysts: A theoretical investigation of adsorbates on C59Pt (2010) PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 12 (32): Perez, H., Morin, A., Akrour, L., Cremona, C., Baret, B., Haccoun, J., Escribano, S., Etcheberry, A. Evidence for high performances of low Pt loading electrodes based on capped platinum electrocatalyst and carbon nanotubes in fuel cell devices (2010) ELECTROCHIMICA ACTA 55, 2358 André, J., Antoni, L., Petit, J.-P. Corrosion resistance of stainless steel bipolar plates in a PEFC environment: A comprehensive study (2010) INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 35 (8), pp ) Gerard, M., Poirot-Crouvezier, JP, Hissel, D., Pera, MC Distribution Study of Species and Current Density During Oxygen Starvation (2010) JOURNAL OF FUEL CELL SCIENCE AND TECHNOLOGY, 7 (5): Art. No OCT 2010 Placca, L., Kouta, R., Candusso, D., Blachot, J.-F., Charon, W. Analysis of PEM fuel cell experimental data using principal component analysis and multi linear regression (2010) INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 35 (10), pp Gerard, M., Poirot-Crouvezier, J.-P., Hissel, D., Pera, M.-C. Oxygen starvation analysis during air feeding faults in PEMFC (2010) INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 35 (22), pp Biomasse, hydrogène, matériaux haute-température et procédés Beliard, PE, Schweich, D., Clement, P., Gauthier-Maradei, P., Dromard, N. Heat Transfer Metrology Issues in Two-Phase Bubble Column Reactors (2010) CANADIAN JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING, 88 (4): Sp. Iss. SI AUG 2010 Tochon, P., Couturier, R., Anxionnaz, Z., Lomel, S., Runser, H., Picard, F., Colin, A., (...), Lemenand, T. Toward a competitive process intensification: A new generation of heat exchanger-reactors (2010) OIL & GAS SCIENCE AND TECHNOLOGY-REVUE DE L INSTITUT FRANCAIS DU PETROLE 65 (5), pp Anxionnaz, Z, Cabassud, M, Gourdon, C, Tochon, P Transposition of an Exothermic Reaction From a Batch Reactor to an Intensified Continuous One (2010) HEAT TRANSFER ENGINEERING, 31 (9): Phan, H.T., Caney, N., Marty, P., Colasson, S., Gavillet, J. A model to predict the effect of contact angle on the bubble departure diameter during heterogeneous boiling (2010) INTERNATIONAL COMMUNICATIONS IN HEAT AND MASS TRANSFER 37 (8), pp Phan, H.T., Caney, N., Marty, P., Colasson, S., Gavillet, J. Surface Coating with Nanofluids: The Effects on Pool Boiling Heat Transfer (2010) NANOSCALE AND MICROSCALE THERMOPHYSICAL ENGINEERING, 14 (4): Laborde-Boutet, C., Larachi, F., Dromard, N., Delsart, O., Beliard, P.E., Schweich, D. CFD Simulations of Hydrodynamic/Thermal Coupling Phenomena in a Bubble Column with Internals (2010) AICHE JOURNAL, 56 (9): SEP 2010 Cayron, C., Montani, A., Venet, D., Carlan, Y.d. Identification of new phases in annealed Fe-18CrWTi ODS powders (2010) JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS 399 (2-3), pp Cayron, C., Barcelo, F., Carlan, Y.d. The mechanisms of the fcc-bcc martensitic transformation revealed by pole figures (2010) ACTA MATERIALIA 58 (4), pp Liu, X., Martin, C.L., Delette, G., Bouvard, D. Elasticity and strength of partially sintered ceramics (2010) JOURNAL OF THE MECHANICS AND PHYSICS OF SOLIDS 58, Issue 6, Chomette, S., Gentzbittel, J.-M., Viguier, B. Creep behaviour of as received, aged and cold worked INCONEL 617 at 850 C and 950 C (2010) JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS 399 (2-3), pp Pizette, P., Martin, C.L., Delette, G., Sornay, P., Sans, F. Compaction of aggregated ceramic powders: From contact laws to fracture and yield surfaces (2010) POWDER TECHNOLOGY 198 (2): Cayron, C., Douillard, T., Sibil, A., Fantozzi, G., Sao-Jao, S. Reconstruction of the cubic and tetragonal oarent grains from electron backscatter diffraction maps of monoclinic zirconia (2010) JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY 93 (9), pp Moro, I., Briottet, L., Lemoine, P., Andrieu, E., Blanc, C., Odemer, G. Hydrogen embrittlement susceptibility of a high strength steel X80 (2010) MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING Volume 527, Issues 27-28, 25 October 2010, Pages

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40 Publications LITEN 2010 Verilhac, J.-M., Benwadih, M., Seiler, A.-L., Jacob, S., Bory, C., Bablet, J., Heitzman, M., Tallal, J., Barbut, L., Frère, P., Sicard, G., Gwoziecki, R., Chartier, I., Coppard, R., Serbutoviez, C. Step toward robust and reliable amorphous polymer field-effect transistors and logic functions made by the use of roll to roll compatible printing processes (2010) ORGANIC ELECTRONICS 11 (3): Boddaert, X., Bensaid, B., Benaben, P., Gwoziecki, R., Coppard, R. Mechanical and thermal reliability of printed organic thin-film transistor (2010) MICROELECTRONICS RELIABILITY, 50 (9-11): Sp. Iss. SI SEP-NOV 2010 Xu, Y., Gwoziecki, R., Chartier, I., Coppard, R., Balestra, F., Ghibaudo, G. Modified transmission-line method for contact resistance extraction in organic field-effect transistors (2010) APPLIED PHYSICS LETTERS, 97 (6): Art. 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42 Pour plus d informations sur le CEA Liten www-liten.cea.fr Direction de la Recherche Technologique Institut Liten (Laboratoire d Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux) CEA Grenoble 17, rue des Martyrs Grenoble Tél : Fax : [email protected] Web : www-liten.cea.fr Directeur du LITEN : Didier Marsacq Rédacteur : Benoit Playoust Crédit photo : PF. Grosjean/CEA Marc Jary/CEA Estelle Bonhomme/INES INES Tendance Floue/CEA Artechnique/CEA P. Stroppa/CEA D. Michon/CEA E. De Lavergne/CEA P. Avavian/CEA A. Gonin/CEA Photosil L. Chamussy/Sipa-CEA C. Maniglier/CEA C. Dupont/CEA P. Dumas/CEA JC Rifflard CEA Agence SIPA X Bluelife - Tél /2011