Journee de l'UdPPC Annelise Brull.pdf

Annelise BRÜLL

Ingénieur d’études

brull@icmcb-bordeaux.cnrs.fr

05 40 00 26 98

Journée Académique de l’Union des Professeurs de Physique et de Chimie

Mercredi 3 octobre 2012

ENSCBP

ICMCB

~230 personnes y travaillent : Chercheurs, enseignants-chercheurs,

ITA, doctorants, post-doctorants, CDD, stagiaires

Organisation du laboratoire : 7 groupes de recherche 2 centres de ressources

20 services collectifs

Groupe Piles à combustible

2

Plan de l’exposé A. Les contraintes énergétiques

B. Les énergies renouvelables

C. Le vecteur hydrogène

D. Les piles à combustible (PAC)

a) Historique et fonctionnement

b) Les différents types existants

c) Les différentes architectures

d) Les applications

E. La recherche sur les PAC : exemple de l’ICMCB

F. Conclusion et perspectives

C E A

H2

H2

ELECTROLYTECATHODECATHODE ANODEANODE

O2 O2

3

Les contraintes énergétiques

4

Les contraintes énergétiques

5

hémisphère nord

va

ria

tio

n d

e te

mp

éra

ture

(°C

)

mo

ye

nn

e d

e 1

96

1 à

19

90

année

Des réserves pour combien de temps ?

URGENT de trouver des solutions !

0

JC 1000 3000 2000 -1000

Ere fossile Grecs Romains Moyen-Age

1850 2250

??

6

Les contraintes énergétiques L’objectif:

Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles : pétrole, charbon,

hydrocarbures…

7

Les contraintes énergétiques

Les solutions envisagées :

Rationaliser nos consommations énergétiques

Séquestrer les émissions de CO2 provenant des combustibles

fossiles

Développer des carburants alternatifs pour les transports

Développer les énergies renouvelables

L’objectif:

Diminuer l’utilisation des combustibles fossiles : pétrole, charbon,

hydrocarbures…

8

Les énergies renouvelables

Energie éolienne Vent + Eolienne

Géothermie Chaleur du sol + Pompe à chaleur

Biomasse Végétaux + Biogaz / Biocarburant

Energie solaire Soleil + Photovoltaique

9

Energies renouvelables : quel scénario pour demain ?

Energie provenant de sources renouvelables

(ou nucléaire)

PAC

Electrolyse

Economie de l'Hydrogène

Electricité au consommateur

H2

Economie de l'électron

e-

e- e-

H2

e-

Solaire, Éolien, Géothermie, (Nucléaire)

Stockage massif difficile ?

10

L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre

Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre

Il est pratiquement inépuisable…

11

L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre

Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre

Il est pratiquement inépuisable…

Densité massique d’énergie plus élevée que celles des combustibles courants : facteur

2,4 à 2,7 (H2 = 140MJ/kg ; essence 46MJ/kg))

Vecteur « propre » : non polluant, non toxique

Retour d’expérience important (production-distribution-stockage)

Plusieurs voies d’utilisation : combustion par exemple

Les atouts majeurs :

12

L’hydrogène : source d’énergie Il est possible de le produire par des méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre

Son utilisation n’entraîne pas d’émission de gaz à l’effet de serre

Il est pratiquement inépuisable…

Densité massique d’énergie plus élevée que celles des combustibles courants : facteur

2,4 à 2,7 (H2 = 140MJ/kg ; essence 46MJ/kg))

Vecteur « propre » : non polluant, non toxique

Retour d’expérience important (production-distribution-stockage)

Plusieurs voies d’utilisation : combustion par exemple

Les atouts majeurs :

Les handicaps à surmonter :

Densité d’énergie volumique faible

Coûts de production élevés (facteur 3 par rapport au gaz naturel)

Analyses technico-économiques et environnementales sur la filière

Réglementation et sûreté 13

14

Comment utiliser l’hydrogène comme source d’énergie ?

Historique

Sir W. Grove 1811 - 1896

Acide sulfurique dilué Feuillards de Pt

1839 : William Grove « invente » la pile à combustible : utilisation de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau pour produire du courant à partir de O2 et de H2 1842 : Expérience de 4 cellules en série ; la réaction ne se produit que lorsqu’il y a triple contact entre l’électrolyte, les réactifs et les catalyseurs

15

Définition d’une pile à combustible Une PAC est un système électrochimique qui convertit

l’énergie chimique en énergie électrique

16

Définition d’une pile à combustible

Elle est constituée : - de 2 électrodes : une anode et une cathode alimentées par deux gaz : O2 et H2

- d’un électrolyte qui permet d’assurer une étanchéité entre les deux électrodes et d’assurer le passage des ions en bloquant le passage des électrons

Une PAC est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique

17

Définition d’une pile à combustible

H2 + ½ O2 H2O + électricité

Energie issue de la réaction globale :

Elle continue de fonctionner tant qu’elle est alimentée en réactifs

Elle est constituée : - de 2 électrodes : une anode et une cathode alimentées par deux gaz : O2 et H2

- d’un électrolyte qui permet d’assurer une étanchéité entre les deux électrodes et d’assurer le passage des ions en bloquant le passage des électrons

Une PAC est un système électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique

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Atouts • Protection de l’air

Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules

Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)

19

Atouts

• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés

Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%

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• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules

Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)

Atouts

• Limitation des nuisances sonores Pas de bruit généré par le processus électrochimique

Seuls les systèmes auxiliaires émettent un faible bruit

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• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés

Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%

• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules

Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)

Atouts

• Maintenance limitée

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• Limitation des nuisances sonores Pas de bruit généré par le processus électrochimique

Seuls les systèmes auxiliaires émettent un faible bruit

• Économies d’énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés

Rendement électrique actuel ≥ 40% 70% lors du couplage d’une pile haute-température avec une turbine à gaz Rendement total (électrique + thermique) ≈ 80%

• Protection de l’air Si utilisation H2 pur pas rejet d’oxydes de soufre ni particules

Si H2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NOx par m3 (75 fois moins que la règlementation)

Fonctionnement

23

Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions

Fonctionnement

24

Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions

2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents

Fonctionnement

25

Conduction protonique

Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions

2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents

Fonctionnement

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Conduction protonique Conduction anionique

Les 2 électrodes sont poreuses pour laisser passer les gaz L’électrolyte est dense pour ne pas laisser passer les gaz mais les ions

2 types d’électrolytes conducteurs 2 mécanismes différents

O2-

Fonctionnement Exemple d’une pile

à conduction

protonique

Réduction des molécules

d’hydrogène en ions H+ qui vont migrer à travers

l’électrolyte

Siège de la réaction entre les molécules

d’oxygène et les ions H+ pour former des

molécules d’eau

Les électrons circulent dans un circuit extérieur pour former un

courant électrique

continu

A

C

B

A

C

B

27

Différents types de piles

La classification dépend :

De la nature de la membrane (électrolyte) Conduction protonique ou anionique

Liquide ou solide

De la température de fonctionnement Basses températures (60 – 250°C)

Moyennes températures (650°C)

Hautes températures (750 – 1050°C)

28

Les Piles à Combustible: caractéristiques

PEMFC

PAFC

MCFC

SOFC

100°C

200°C

650°C

800°C

Solid Electrolyte : polymer: ion H+

Liquid electrolyte H3PO4 : ion H+

Liquid electrolytes: molten carbonates Li2CO3, KCO3 : ion CO3

2-

Solid Electrolytes Ceramics YSZ, ZrO2: ion O2-

Type Electrolyte Température

DMFC AFC Liquid Electrolyte KOH : ion OH-

Methanol Solid Electrolyte : polymer: ion H+

Fuel

Hydrogen (CO < 10 ppm)

Hydrogen

Hydrogen (CO < 1%) Methanol Natural gas

Hydrogen Biomass Methanol Natural gas

Hydrogen Biomass Natural gas

T

T

29

Architectures des PAC

30

Architectures des PAC

31

Anode Électrolyte Cathode

une cellule Exemple : 10 W

=

Pas ou peu d’applications

Architectures des PAC

32

Anode Électrolyte Cathode

une cellule Exemple : 10 W

=

un stack Exemple : 15 kW

=

Un assemblage de plusieurs cellules séparées par des interconnecteurs

métalliques

Nombreuses applications possibles Pas ou peu d’applications

Architectures des PAC

33

Plusieurs choix sont possibles pour réaliser les empilements :

Anode / Électrolyte / Cathode

- La technologie tubulaire,

- La technologie planaire,

- La technologie monolithique,

- La technologie intermédiaire

Architectures des PAC

Technologie Tubulaire

(25-100-200 kW), = 60% couplé à une turbine à gaz, possibilité d’atteindre 70%

avec des systèmes multi-composants (mégawatts

plants)

Anode

Electrolyte

Cathode

Interconnecteur

Siemens - Westinghouse (HT-SOFC)

Air

34

Rôle très important des interconnecteurs !!

Architectures des PAC

Technologie Planaire Alimentations en gaz

transfert des électrons

échangeur thermique

CEA Fuel Air Plaques bipolaires

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Architectures des PAC

Argonne Nationnal Laboratory (1984) :

variante de la technologie planaire (les différents

composants se supportent mutuellement)

structure plus compacte (densité de puissance élevée)

Technologie monolithique

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Architectures des PAC

Technologie Sulzer-Hexis pour la cogénération

(électricité + chaleur) :

application résidentielle

Technologie intermédiaire

37

Architectures des PAC Cogénération : électricité + chaleur

38

Les premiers développements des PAC

39

Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)

1840 …

1953 : Francis T. Bacon pile hydrogène : électrolyte alcalin(LiOH) + électrodes poreuses de Ni et NiO ; Température de fonctionnement : 80 – 200°C, P ~40 atm développement des PAC dans les programmes spatiaux

Années 60 : - NASA utilise les PAC Gemini en 1963 (pile de type PEMFC de General Electrics)

40

Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)

41

Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)

1840 …

1953 : Francis T. Bacon pile hydrogène : électrolyte alcalin(LiOH) + électrodes poreuses de Ni et NiO ; Température de fonctionnement : 80 – 200°C, P ~40 atm développement des PAC dans les programmes spatiaux

Années 60 : - NASA utilise les PAC Gemini en 1963 (pile de type PEMFC de General Electrics) Apollo en 1968 (pile AFC de Pratt et Whitney) - U.S. Navy développe un sous-marin capable de descendre à 6000m de profondeur

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Les premiers développements des PAC Les piles alcalines (KOH)

Années 60 : Allis-Chalmers Manufacturing Company (USA): premiers prototypes de véhicules avec piles embarquées

- tracteur électrique ; pile AFC de 15 kW - Austin A40 à propulsion électrique associée ; pile AFC de 6 kW + batterie

plomb/acide. Autonomie : 300 km. Fonctionnement : 16000 km en 3 ans

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Chronologie des applications récentes des PAC

1960 1970 1980 1990 2000

Aérospatiale (production d’électricité et d’eau pour l’équipage)

Bus

Automobile

Production stationnaire d’électricité

Submersible (production d’eau et d’électricité pour l’équipage)

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Développement des PAC

portable

spatial stationnaire

> 50 000 h

transport > 5 000 h

45

Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)

Siemens-Westinghouse (SOFC)

46

Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)

47

Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)

Siemens-Westinghouse (SOFC) (Allemagne / USA)

Technologie tubulaire Module 100 kW (1152 tubes)

Actuellement en test Fonctionnement 20000 h

Rendement électrique 46 %

48

Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (MW)

La pile de Chelles (Seine et Marne) : pile à « acide phosphorique »

49

Puissance : 200 kW électrique + 220 kW thermique

Alimente 200 foyers en électricité + chaleur

Le niveau sonore à 10m est comparable à celui d’une installation de ventilation classique

Développement des PAC Gros systèmes stationnaires (quelques centaines de kW)

Les systèmes de piles à combustible BALLARD produisent 250KW qui vont être distribués sur les lignes électriques.

Actuellement, il y a 9 systèmes en Amérique du Nord, en Europe et au Japon

Plus de 3,5 millions de KW d’électricité ont été produits jusqu’à aujourd’hui

50

Développement des PAC Petits systèmes stationnaires (quelques kW) en

cogénération électricité - chaleur

51

Développement des PAC Petits systèmes stationnaires (quelques kW) en

cogénération électricité - chaleur

Technologie mixte planaire / tubulaire

Module 1 kW élec. / 3 kW therm. Gaz naturel

Rendement global 85 % Secteur résidentiel

Commercialisation ???

Sulzer-Hexis (Suisse) : chaudière « électrogène » (SOFC)

52

Développement des PAC Transport : traction (véhicules lourds)

MAN / Siemens / Linde (Europe): Bus PEMFC de 120 kW

Stockage H2

9 réservoirs à 250 bars Autonomie > 250km

Piles PEMFC

53

Développement des PAC Transport : traction (véhicules lourds)

1/ Les 4 modules Siemens

2/ Le système avant intégration

3/Intégration dans le bus

4 / le système après intégration

MAN / Siemens / Linde (Europe): Bus PEMFC de 120 kW

54

Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)

Projet européen : Hydro – Gen Partner (2001)

1 - Pile elle-même 2 - Convertisseur électrique continu/continu 3 - Circuit de recirculation d'hydrogène 4 - Réservoir d'hydrogène HP (700bars)

Partenaires : CEA / PSA / Renault / Nuvera / Solvay Autonomie : 600km Vitesse maxi : 100km/h

55

Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)

La PAC de Mercedes

56

Développement des PAC Transport : traction (véhicules légers)

De nombreux autres projets…

Ford Focus FCV (Fuel Cell Vehicle)

NISSAN Xterra HONDA CXV 3 BMW CleanEnergy 750hl sedan

Daimler-Chrisler : projet NECAR 5 (nov 2000) (New Electric Car)

57

Développement des PAC Transport : traction (scooters)

Manhattan Scientifics (2001) PAC : 3kW

Autonomie : 200km Vitesse maxi : 60 km/h

Prix : 2300 euros Réservoir H2 : 2L

Hydrocycle (2001) PAC : 3kW

Autonomie : 70 à 100 km Vitesse maxi : 30 km/h

58

Développement des PAC Transport : traction (auxiliaires de puissance)

Global Thermoelectric Inc. (Canada)

Technologie planaire Module 3-5 kW

Tension de sortie 42 V Périphériques automobiles

Delphi (USA): avec BMW

Technologie planaire (SOFC) Module 50W

Tension de sortie 15 V Périphériques automobiles

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Développement des PAC Transport : traction (auxiliaires de puissance)

Axane (Air Liquide) :

Le concept Easy Cell : maintenance simplifiée des éléments critiques

Le concept Evopac : choix des composants pour une architecture parfaitement adaptée aux besoins (500W - 10kW).

Applications pour sites éloignés comme

une antenne de télécommunication

Roller Pac : application

(2kW - 110/230V AC)

60

Développement des PAC Micro-générateurs et portables

* Stack-in-a-box : PAC 75W (continu)

½ litre d'hydrogène compressé fournit 1h30 d'énergie. Ce système a été testé avec succès pour fournir de l'énergie à différentes machines : TV, PC, machine à glace, ...

* CASIO : PAC pour ordinateur portable

Les prototypes de piles à méthanol pour PC portables et autres équipements multimédias

61

Développement des PAC Micro-générateurs et portables

* Fraunhofer ISE’s : micro PAC pour téléphonie

mobile

* Warsitz Enterprises : PAC portable (éclairage)

* Fraunhofer ISE’s : micro PAC pour ordinateur

portable

62

Développement des PAC Micro-générateurs et portables

PAC méthanol direct (portable)

63

SOFC Power (Italie)

Développement des PAC

64

75 cells 12x12 cm²

Cell : 375 µm 12x12 cm²

Power Core: 1.5 kW

Haldor-Topsoe (Danemark)

Développement des PAC

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Applications et principaux avantages des PAC

Applications caractéristiques

Equipements de portables électroniques

Voitures, bateaux et cogénération domestique

Génération de puissance distribuée, cogénération, bus

Puissance (W) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M

Principaux avantages

Énergie plus importante que les batteries classiques, recharge plus

rapide

Émission nulle de gaz polluants, plus haute

efficacité

Plus haute efficacité, moindre pollution, silencieux

Domaine d’application des différents types

de PAC

PEMFC

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

66

La recherche sur les PAC : exemple de l’ICMCB

Les piles SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Température de fonctionnement ≥ 750°C

Diminuer cette température pour diminuer les coûts

ELECTROLYTE ELECTRODES

67

Mise en forme d’une PAC au laboratoire

68

Mise en forme d’une PAC au laboratoire

Cellule à anode

support

Cellule à électrolyte

support

69

PAC : vers le marché ? The DoE Hydrogen and

Fuel Cells Program Plan

Dec 2010

70

PAC : vers le marché ? Aujourd'hui, le coût d'investissement élevé (sur une base € / kW) a conduit à un

effort important porté à la réduction des coûts

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Conclusion et perspectives De nombreux programmes de développement existent :

En 2011, le Japon annonce 1000 stations pour la distribution de l’hydrogène et la production de 2 millions de véhicules en 2025.

L’Allemagne annonce la construction de 150 stations à hydrogène et plus de 1000 stations en 2017.

Mill

iard

s/a

n

2020

2030

11 - 11 € milliards/an pour les alimentations portatives (marché stable) 14 - 31 € milliards/an pour les systèmes stationnaires en 10 ans 18 - 97 € milliards/an pour le transport en 10 ans

Connecticut Center for Advanced Technology From DOE H2FC 2010 Program Plan 2010

72

Conclusion et perspectives Les verrous technologiques identifiés :

un problème de matériau :

- conductivité électronique et ionique des matériaux

- température de fonctionnement

- L’assemblage électrode/membrane et les interconnecteurs (comme

les plaques bipolaires)

- La tenue au vieillissement des assemblages (sous différentes

sollicitations : climatiques, transitoires, chocs, …)

le problème des auxiliaires :

- L’optimisation des compresseurs, humidificateurs, refroidissement,

convertisseur DC-AC, …

le problème de l ’hydrogène :

- La production, la distribution et le stockage, … (sécurité)

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Conclusion et perspectives Objectifs de coûts et de durée de vie à atteindre :

Systèmes Stationnaires :

inférieur à 1500 Euros/kW

Aujourd’hui, le coût des PAC est situé entre 10 000 et 20 000 Euros/kW

fiabilité : > 40 000heures

Transport :

50 euros/kW pour la traction des véhicules particuliers (> 5000 heures)

200 euros/kW pour le transport urbain

250 euros/kW pour les APU d’une voiture de luxe

74

Conclusion et perspectives De nombreuses défis à relever:

Capacité de fonctionner dans des conditions difficiles

Augmentation de la densité de puissance et la durée de vie

Réduction de la taille et du poids des systèmes (avec les auxiliaires)

Atteinte des objectifs de sécurité, normes, acceptabilité, …

75

Actualité récente

76

Première voiture de course fonctionnant avec une PAC aux 24h du Mans 2013

SymbioFCell (société française CEA/PSA) a développé cette pile

400 kW de puissance (≈554 chevaux)

PEMFC 18 stacks de 20 kW

T < 80°C

Green GT H2

77