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Utilisation Rationnelle de l’Energie – 20e Cycle de Conférence – CNAM – 26 mars 2019 | Serre-Combe Pierre
L’HYDROGENE TIENDRA-T-IL SES PROMESSES ?
| 2Nom événement | Nom Prénom
• Economique– Garantir un prix compétitif de l’Énergie
• Géopolitique– Garantir l’indépendance énergétique– Garantir la sécurité d’approvisionnement
• Sociétale– Mieux préserver l’environnement– Nomadisme– Electricité
DE NOUVELLES MOTIVATIONS POUR DE NOUVELLES SOLUTIONS ENERGETIQUES
| 3Nom événement | Nom Prénom
LA REVANCHE DU NOMADE
D’abord nomade, l'homme s'est sédentarisé autour …. des foyers
Mais aujourd’hui il redevient … nomade (mondialisation, nomadisme électronique,…).
| 4Nom événement | Nom Prénom
• Production électrique :• Contributeur #1 aux émissions de CO2• Sources d’ENR
• Une Croissance de la demande en électricité forte : x12 en 40 ans (x4 toute énergie confondue):
• La révolution des transports est d’abord électrique : De plus en plus d’auxiliaire électriques Pression environnementale Nouvelles fonctionnalités
UN MONDE TOUJOURS PLUS ELECTRIQUE
| 5Nom événement | Nom Prénom
LA GESTION DES FLUX AU CŒUR DU NOUVEAU PARADIGME
Pétrole Gaz nature
l
Charbon BiomasseSolaireHydrauliqueÉolien Nucléaire
Sources d’énergie
Vecteurs d’énergie
Électricité
+ géothermie, marée, ..
Carburants fossiles
Gaz nature
l
Charbon Biocarburants Hydrogène
Énergies renouvelables
| 6Nom événement | Nom Prénom
• Autonomie, Facilité de recharge => nouveaux usages de la mobilité• Nouveau degré de liberté à la gestion/régulation des réseaux
électriques :• Garantir Pfournie(ti) = Pdemandée (ti)• Indicateur = fréquence du réseau
• Des fluctuations a différentes échelles de temps• Amplifié parle caractère aléatoire des EnR
• Libéralisation des marchés de l’énergie• Du monopole à l’indépendance des acteurs de la filière• De nouveaux acteurs• De Nouveaux Services
• Report d’investissement de Moyen de production ou de Renforcement des lignes• Sécurise la production et previent les blackout (dizaines de milliard de $/an)• Lisser/Spéculer les coûts• Efface les pointes• Repousse la limite d’intégration des EnR (30 %)• Alimentation des sites isolées
L’HYDROGENE POUR PLUS DE FLEXIBILITÉ
| 7Nom événement | Nom Prénom
POWER TO GAZ : METTRE DU SOLEIL EN BOUTEILLE
Semaine de grève éolienne sans préavis !
Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau lors des périodes à haut rendementRestitution d’électricité « éolienne » par pile à combustible lors des périodes à faible rendement
| 8
GAZ TO POWER : LA PILE A COMBUSTIBLE
CathodeRéduction Catalytique :
Oxydant + Ox1 + x e‐Produitou
Oxydant + x e‐ Red 2
AnodeOxydation Catalytique :
Combustible Ox1 + x e‐ou
Combustible + Red2 produit + x e‐
combustible oxydant
e‐
ElectrolyteConducteur Ionique
Ox1 (cation)
ou
Red2 (anion)
| 9
− CF2 − CF− CF2−
O
CF2
CF − CF3
O
CF2
CF2
SO3− H+
ÉlectrolyteMembrane polymère perfluoré sulfoné
Anode Cathode
H2 —> 2 H+ + 2 e-
Pt2 H+ + 2 e- + ½ O2 —> H2O
Pt
H2
e-
O2
H+
e-
H+
H2O
Zone de diffusionFeutre de carbone
Zone de diffusionFeutre de carbone
Zone activeCarbone platiné
Zone activeCarbone platiné
Zone diffusionelle(feutre carbone imprégné Nafion)
Zone active (dépôt Pt)
Électrolyte (Nafio
n)
H+H+O2O2
e-e-
H2H2
e-e-
H2OH2O
100 µm
AU CŒUR DE LA REACTION :i.e. Membrane échangeuse de protons
| 10
Comburant
Combustible
Refroidissement
Cellule
AMEPlaque Bipolaire
AME
membraneZone activeCouche de
diffusion
UN EMPILEMENT POUR PLUS DE TENSION / PUISSANCE
Intégration module
| 11Nom événement | Nom Prénom
COMMENT LE STOCKER ?
absorption
Gaz Liquide
20.3K = -253°C
Solide
adsorption
| 12Nom événement | Nom Prénom
COMMENT LE TRANSPORTER ?UTILISATION DES RÉSEAUX GN
Smart grid local une autre alternative
Réseau Dédié ou Réseau GN++ Un réseau développé++ Des diamètres adaptés++ Une maintenance maitrisée-- Niveaux de pression insuffisant-- Nuances de matériaux variées-- Purification/Compression
Par la Route
| 13Nom événement | Nom Prénom
1ER VERROU AU STOCKAGE/TRANSPORT : LA PRESSION
La molécules la plus énergétique•1kgH2 # 2.75kg d’essence
Mais c’est un gaz•1Nm3 H2 # 0.34 L d’essence
Et il est pas parfait•Pression x2 =>70% d’H2 en plus
C o m p a r a is o n a v e c l 'E n c y c lo p é d ie d e s G a z( a v e c f a c te u r c o r r e c t i f )
0 , 9 0
1 , 0 0
1 , 1 0
1 , 2 0
1 , 3 0
1 , 4 0
1 , 5 0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
P r e s s io n ( M P a )
Fact
eur d
e C
ompr
essi
bilit
é Z
C a lc u l - 2 5 ° CE n c y c lo p é d ie d e s g a z -2 5 ° CC a lc u l 2 5 ° CE n c y c lo p é d ie d e s g a z 2 5 ° CC a lc u l 7 5 ° CE n c y c lo p é d ie d e s g a z 7 5 ° C
| 14
• L’effet d’entaille• La pression• Les défauts métallurgique• La nature de l’alliage
1. Fragilisation des Tubes métalliques HP pour le Transport H2
2EME VERROU AU STOCKAGE/TRANSPORT : L’INTERACTION MATERIAUX
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
1E-14
mol
.m-1
.Pa-
1.s-
1
Hydrogen Permeation ( 25°C)
Liner Natural Gas
Standard :
1 cm3/l/ h
Liner O2
Blisters CO2 or O2
GazolineTank
Liner CEA
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
1E-14
mol
.m-1
.Pa-
1.s-
1
Hydrogen Permeation ( 25°C)
Liner Natural Gas
Standard :
1 cm3/l/ h
Liner O2
Blisters CO2 or O2
GazolineTank
Liner CEA
Tauxde fuite
2. Perméation dans des Tubes Polymères BP de distribution H2
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L’accident du "Hindenburg" (4 mai 1937) Bombe H
La peur de l’hydrogène
RISQUE H2 : UNE ÉQUATION COMPLEXE
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Le VerrouL’hydrogène est utilisé et maitrisé dans l’industrie chimique et aérospatiale. Peu de sites Environnement industriel contrôlé (formation, procédures)
Le déploiement de l’hydrogène comme vecteur énergétique pour la applications stationnaires ou transport pose des problèmes nouveaux. Grand nombre d’utilisateurs Environnement varié (bâtiments, routes, ponts,
tunnels, garages) Comportement des utilisateurs Acceptation par les « utilisateurs »
UNE RÈGLEMENTATION A ADAPTER
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Gaz de distillation de la houille :H2 : 48 %CH4 : 36 %CO : 8 %CO2 : 5 %
Et pourtant le gaz de ville de jadis comportait près de 50 % d’hydrogène !
De la prose sans le savoir…ON NE PART PAS DE RIEN !
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Risque = Occurrence x Gravité
Ventilation
Soupapes
Détection
…
Limitation de l'occurrence = maîtrise du risqueLimitation de la gravité = limitation des conséquences
Périmètres de sécurité, stockage en toit de bus, ..
…
L’approche probabiliste s’imposeLA SECURITÉ N’A PAS DE PRIX MAIS UN COUT
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L’approche probabiliste s’imposeDES ESSAIS DE SECURITÉ
| 20
L’approche probabiliste s’imposeDES ESSAIS DE SECURITÉ
| 21
R1m R2m
Coef. de sécurité = R2m/R1m R1 : Distribution de la Contrainte dans le composite
R2 : Distribution de la Résistance du composite
S : surface d’intersection = Probabilité de défaillance du réservoir (R2<R1)
R2
R1
S
s
Variations de pression mieux maîtrisées
Procédé de fabrication et de bobinage mieux maîtrisées
F>fS=s
UNE APPROCHE PROBABILISTIQUE
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LA MAITRISE DES PROPRIÉTÉS
| 23Nom événement | Nom Prénom
H2 POUR OU CONTRE D’AUTRES MOYENS DE STOCKAGE ?
| 24Nom événement | Nom Prénom
• Des couts composants qui ont fortement chuté par effet de volume• Une techno PEM adaptée à la réduction des couts : on empile du m²• Un passage à l’échelle du MW pour l’Electrolyse• Une grosse écharde le réservoir
• Effet Volume plus réduit• Effort matériaux
• Modèle de rémunération vs Service rendu
• Le VU la priorité pour le déploiement d’un mobilité H2• Un marché significatif• Une approche TCO
• Des Stations et des Hub H2 multi usage au profit d’un territoire
VIABILITE ECONOMIQUE
| 25Nom événement | Nom Prénom
PERSPECTIVE TRES FAVORABLE DE REDUCTIONS DES COUTS D’ELECTROLYSE
• Cell stack power consumption of down to 4 kWh/Nm³ H₂,
• up to 2.2 MW per stack • 1000 kilos per day.
NEL ElectrolyzerITM Electrolyzer
• From 60 kW to 1030 kW• From 25 to 460 kilos per
day.• Pressure from 20 to 80
bars
Down to 700 €/kW Down to 500 €/kW
| 26Nom événement | Nom Prénom
DES MARCHES DÉJÀ ACCESSIBLES POUR CERTAINS USAGES INDUSTRIELS
• Decarbonization of merchantable hydrogen: medium consumer (500 to 5000T / year)
Replace a centralized carbon production with truck distribution by on-site production by electrolysis.
• Decarbonization of highly CO2-emitting industries (recovery of CO2 in methane, e-fuel or other molecule of interest)
Install electrolyzers on the site of cement works, steel mills, .., to combine H2 and CO2 (model cementery to territories)
Alcaline8200 h
Massification of electrolyzers production
(MW/year/plant)
CAPEX of elecyttrolyzer
system(€/kW)
80 60 40 40 30
1 1000 5,60 3,87 3,32 5,39 4,8820 750 5,15 3,27 2,71 4,36 3,85200 500 4,46 2,49 1,97 3,10 2,621000 350 3,95 1,93 1,44 2,19 1,75
Electricity price (€/Mwhel)
Duration of operation by year
5000h 3000h
cost of producing hydrogen todaybetween 2 and 4,5 €/kg
cost of producing hydrogen todaybetween 2 and 4,5 €/kg
| 27
CEA Solid Oxide Electrolyzer
Rated electrical Power – 6 kWLoad variation – 0% - 100%Electrical efficiency (HHV) – 85%Specific electric Power – 3,5 kWh/Nm3H2 Production – 2 Nm3/hH2 pressure – 3 bar
HTSE8200 h
Massification of electrolyzers production
(MW/year/plant)
CAPEX of elecyttrolyzer
system(€/kW)
80 60 40 40 30
1 4000 10,03 12,87 12,48 15,47 15,0820 1500 4,59 4,15 3,78 4,82 4,45200 1000 3,91 3,02 2,66 3,23 2,871000 400 3,06 1,49 1,14 1,32 0,97
Duration of operation by year
5000h 3000hElectricity price (€/Mwhel)
L’ETAPE D’APRES L’ELECTROLYSE HT
cost of producing hydrogen in 2030between 1 and 1,5 €/kg
cost of producing hydrogen in 2030between 1 and 1,5 €/kg
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LA 2e PRIORITE LA MOBILITE DECARBONNEE
| 29
SAFRA A French hydrogen bus
manufacturer
A van-type multi-purpose vehicle
Symbio - A French hydrogen garbage dumpster
• Delivery vehicle last kilometer in urban and peri-urban sites
• Technical intervention vehicles for network operators (energy, water, telecommunications, ..)
• Emergency response vehicles (health, firefighters, ..)
• Passenger transport vehicles (9-17 seats) allowed to drive on roads and highways (unlike buses).
UNE GAMME DE VEHICULE QUI S’ELARGIE
| 30
€/kgH2Min Max Min Max
Production (reforming, electrolyze,..) 4,0 6,0 4,0 6,0
Tranportation (trailers, grids,..) 1,0 3,0
Distribution (compression, refueling
station,..)3,0 6,0 3,0 6,0
Total H2 cost at refueling station
8,0 15,0 7,0 12,0
Distributed H2 Production on site
2018
€/kgH2Min Max Min Max
Production (reforming, electrolyze,..) 1,0 2,0 1,5 2,0
Tranportation (trailers, grids,..) 0,5 2,0
Distribution (compression, refueling
station,..)1,5 2,5 1,5 2,5
Total H2 cost at refueling station
3,0 6,5 3,0 4,5
2030
Distributed H2 Production on site
DES STATIONS PLUS COMPETITIVES
| 31Nom événement | Nom Prénom
• Années 70 : premier galop d’essai mais les matériaux ne sont pas au RDV
• Années 90 :• démarrage du programme Véhicule Propre et Econome• 1er juin 1999 : une date clef pour le CEA !
• années 2000 les choses s’accélère• 2008 : Grenelle de l’Environnement, le réveil des consciences !• 2009 : Air Liquide + AREVA investissent 100 M€ pour l’émergence de la
filière• 2010 : le CEA devient CEA + Energies Alternatives
• Années 2010 l’hydrogène sort du laboratoire• 2012 : Expérience MYRTE• 2013 : Nouvelle France Industrielle• 2016 : les déploiements se multiplient• 2018 : Les alliances industrielles se mettent en place
• Années 2020 : le changement d’échelle prend forme• L’Etat régulateur et facilitateur• Un gisement de ruptures technologiques a explorer• Des investissement industriels et de recharge moins « CAPEX
INTENSIFS »
LES GRANDES ETAPES DE L’HYDROGÈNE EN FRANCE
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Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives17 rue des Martyrs | 38054 Grenoble Cedexwww-liten.cea.fr
Établissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019
Nom événement | Nom Prénom
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
