Pierre BEUZIT Président d’ALPHEA Hydrogène …turbo-moteurs.cnam.fr/publications/pdf/conference1_2008.pdf · réduction de la quantité de catalyseur /10 (nano catalyse) ... Reformage

Pierre BEUZITPrésident d’ALPHEA HydrogènePrésident d’Ineva CNRT

Pourquoi remplacer le pétrole dans l’automobile?

L’automobile est dépendante à 98% du pétrole (15% de la consommation de pétrole)

CITA Sousse 27 avril 2007Pierre BEUZIT

L’automobile est dépendante à 98% du pétrole

Le pétrole est devenu une énergie chère

Pierre BEUZIT


Effets sur l’Economie: baril < $70 négligeable> $100 majeur

Les alternatives deviennent compétitives ~ $80 et $100 le baril

le prix du pétrole devrait rester durablemententre $70 et $100

Pierre BEUZIT




Les besoins énergétiques augmentent

Pierre BEUZIT


Based on current trends global energy demand will rise by 52 % Based on current trends global energy demand will rise by 52 % by 2030by 2030

0

2 000

4 000

6 000

8 000

10 000

12 000

14 000

16 000

18 000

1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

Mto

e

Oil

Natural gas

Coal

Nuclear power

Other renewables

Hydropower

Evolution de la demande

Pierre BEUZIT




Les réserves sont importantes

Pierre BEUZIT


Availability of oil resources as a function of economic price

Source: IEA (2005)

750 Bt

Réserves de pétrole et coûts

Pierre BEUZIT





Les carburants fossiles contribuent à l’augmentation de l’effet de serre

Pierre BEUZIT


monde France

2003: émissions totales 54 Mrd teqCO2 554 MteqCO2

émissions de CO2 25 Mrd t 389 Mt dont transports 23% 35% (soit 11% émissions de GES)

La planète n’absorbe que la moitiédes émissions la concentration CO2

Les émissions anthropiques de gaz à effet de serre

Pierre BEUZIT

Evolution des émissions de carbone

2000 2010 2020 2030 2040

2

4

6

8

12

10

0

Gig

a-to

nne

2050

OECD

non - OECD

YearSource :WBCSD

Pierre BEUZIT






Les pays industrialisés sont de plus en plus dépendants des importations d’énergie

Pierre BEUZIT


Dépendance énergétique

De 2003 à 2030

Europe : 52% to 70%USA: 35% to 50%Chine: 30% to 80%

La sécurité d’approvisionnement devient un souci majeur

Pierre BEUZIT







Les pays industrialisés sont de plus en plus dépendants des importations d’énergie

L’accroissement de la demande énergétique nécessite des investissements considérables

Pierre BEUZIT


Les investissements (AIE)

De 2003 à 2030

$16 000 milliards:électricité: 10 000pétrole: 3100gaz naturel: 3100

½ pour les pays émergents (14% Chine)

Les investissements vont commander la politique énergétique

Pierre BEUZIT


Élimination des polluants:2005: Euro IV2010: Euro V2013?: « fuel neutral »

Réduction des émissions de gaz à effet de serre:2008: 140g/km (CE)2012: 120g/km (CE)2050: diviser par 4 les émissions de CO²

(France)

Introduction de carburants alternatifs:2010: 5.75% (CE) (France = 2008)2010: 7% (France)2020: 20% (CE)

Utilisation d’énergies renouvelables (développement durable)

Les enjeux pour l’industrie automobile

Pierre BEUZIT

Réduction de la demande: changer les données de la mobilité

Evolution du parc: 2005 800 M véhicules2030 1300 M véhicules

Problème de la circulation en milieu urbain et péri urbain

Gestion du trafic (systèmes de communication)

Inter modalité (pb des infrastructures)

Véhicules spécifiquement urbainspetits véhicules électriquesvéhicules bi-modes

Réduction de la demande: les évolutions du véhicule

Réduction des frottements

Amélioration de l’aérodynamique (sans contrainte design)aérodynamique active

Réduction de la masseassociée à: réduction des investissements

réduction des coûtsmatériaux légers et résistants (nano matériaux)nouvelles technologies

nouveau concept de véhicule

Les évolutions du moteur

« Down sizing » gains attendus: de 5 à 15%exemple: 3l essence 1.8l + turbo -21% consommation

« camless » pilotage des soupapes en temps et levée:gain possible ~ 5 à 10%

Cylindrée variable

« Stop and start » gain en ville ~ 15%; gain moyen ~ 5% (moteur essence)

Pierre BEUZIT

Les biocarburants

1ère génération

Éthanol (betterave, céréales, maïs, canne à sucre, sorgho…)Rendements: blé: 1,2 tep/ha

maïs: 1,8 tep/habetterave: 3,8 tep/ha

Investissements: 300 / 500 M$ / MtepCoûts Europe: 16-28 €/GJ

Biodiesel (huile végétale: soja, palme, colza, tournesol…)Rendements ~ 1 tep/haInvestissements ~ 150 M$ / MtepCoûts Europe: 11-18 €/GJ

Réduction des émissions de CO²: 30 à 50%France: surface utilisable = 2,2 Mha 2,6 Mtep consommation globale = 50 Mtep

Pierre BEUZIT

Les biocarburants

2ème génération

Carburants de synthèse (BTL)Gazéification de la biomasse (H² + CO) + Fischer-TropschTout hydrocarbureRendement énergétique < 60%Investissement > 2 G$ / MtepCoûts ~ 10 / 20€/GJIntégration en raffinerie? (Total + Neste oil)

Ethanol ligno-cellulosiqueHydrolyse enzymatique + fermentationInvestissement ~ 500 M$ / Mtep

production envisageable ~ 2015gain CO² > 85%potentiel évalué pour l’Europe: 27 à 48%exploitable dans le monde entier

Pierre BEUZIT

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Energy MJ/100km

GH

G g

CO

2eq/

km

WtWDiesel 2002

Diesel 2010

Diesel 2010 hyb

Syn Diesel 2002Syn Diesel 2010

Syn Diesel 2010 hyb

NG

FAME 2002

FAME 2010

FAME 2010 hyb

Oilseeds

Syn Diesel 2010

Syn Diesel 2010 hybWood

Possible answers of automotive industryBilan énergie / émissions de CO²

Pierre BEUZIT

La voiture électrique

3 voies: batteries« hybrides thermique / électrique »pile à combustible

Batteries (2015 / 2020)

Performances: 300 Wh/kg (120 Wh/kg)5 kW/kg (2 kW/kg)5000 heures (?)200 €/kWh

Véhicules dédiés

« Business model ? »

Pierre BEUZIT

3 niveaux:

récupération de l’énergie de freinageGain ~ 5% difficulté: batterie de stockage

aide au démarrage et à l’accélérationGain cumulé ~ 15% difficulté: batterie de stockage et

transmissionfonctionnement en tout électrique

Gain dépend de la capacité batterie(potentiel 30%) / système complexe

1 – le système complet n’est pas économiquement viable aujourd’hui en Europe (coût ~ 200€ / tCO2évitée)

2 – des recherches sont à faire dans le domaine des batteries, de l’intégration de l’électronique et de l’adaptation du moteur thermique

Le véhicule hybride

Pierre BEUZIT

e-

e-O2-

O2

H2

Anode Cathode

Electrolyte

Chaleur

H2 O

H+

2 H2 4 H+ + 4 e-

Anode : oxydation

2 O2- 4 e- + O2

Cathode : réduction

2 H2 + O2 2 H2O + électricité. + Chaleur

Bilan

La pile: le fonctionnement

Pierre BEUZIT

Pierre BEUZIT

Le stack

Hydrogène direct

Production hydrogène:

reformage des énergies fossiles (gaz naturel)Coût : 6$/kg objectif: 1,5$/kg

biomasse (biocarburants de 2ième génération)Gazéification + purification

électrolyse de l’eauRendements: 75%

thermochimie de l’eau

voie biologique (laboratoire)

Production centralisée ou décentralisée

L’hydrogène et la pile à combustible

Pierre BEUZIT

Production d’hydrogène

Gaz Naturel

Pétrole Charbon Biomasse

EauAlcools, Huiles

Gazéification

Reformage (SR, POx, ATR) Dissociation thermique

H2

Nucléaire

électrolyseVoie biologique

déchets


Pierre BEUZIT

Le stockage à bord

Gazeux: 700 bars 25litres/kg (rappel: 1kg H²= 100 km)énergie de compression = 18% du PCI

liquide: -253°C 14litres/kgénergie de liquéfaction = 35% du PCI

solide: adsorption dans un solide à P < 30 barsdésorption à t < 100°Cratio masse H²/solide: objectif > 7%, actuel: < 2%

Rendement objectif du système pile: 60%

Solution long terme: +2020


Pierre BEUZIT

Rendements et miniaturisation

Le stack:membrane « haute température » (aujourd’hui 110°C)réduction de la quantité de catalyseur /10 (nano catalyse)plaques bipolaires métalliques (distribution homogène des gaz)

La chaine électrique:onduleursconvertisseursmachines tournantesbatteries


Rendement objectif = 60%Coût du système = objectif x 2

Pierre BEUZIT

Reformeur embarqué

L’alternative au stockage d’hydrogène

Production d’hydrogène à bord du véhicule

Reformage multi carburant (tout carburant distribué)

Pas d’infrastructure / Investissements limités

Rendement ~ 80%

coût de l’hydrogène produit = 3,5$/kgcoût du système = objectifx2rendement global objectif = 45%


Pierre BEUZIT

Reformeur Renault-Nuvera: 70kW / 80l


Pierre BEUZIT

Distribution de l’hydrogène

Pierre BEUZIT


Pierre BEUZIT

Comparaison PEMFC-H2 Vs. ICE-essence

GM SEQUEL

Masse: 2170 kg

0-100 km/h: 9 s

Consommation: 1,6 kg H2/100 km

Soit : ~6 L eq. Essence/100 km

BMW X5 3.0i (3.0d)

Masse: 2070 kg (2170 kg)

0-100 km/h: 8,8 s (8,8s)

Consommation: 12,9 L/100 km (9,4)

Pierre BEUZIT

10 000

100 000

Marché

des piles à

combustible

~ 150 -

200

Bus

~ 50automobiles

400 –

1 500résidentiel

Telecoms10 000 -

20 000

1 000 -

5 000outils

1000

€/kW

Mobiles

10W 100W 1kW 10kW 100kW

10 000 -

80 000

100

1000kW

~ 500 -

1000

stationnaire

puissance

Les prix de l’énergie

Pierre BEUZIT

La road map énergie transports routiers

Biocarburants (biodiesel – bioéthanol) 2007

Carburants issus de la biomasse (BTL) 2010 / 2015

Carburants de synthèse + combustion homogène 2015 -

Hybride essence économique 2008 / 2012

Hybride diesel 2010 / 2012

Pile à combustible avec reformeur 2015 -

Pile à combustible à hydrogène 2020 -

Pierre BEUZIT

Pierre BEUZITChevrolet Volt

Pierre BEUZITFord Airstream

Pierre BEUZIT Honda Puyo

Pierre BEUZITHyundai i-blue

Pierre BEUZITSAIC Roewe 2

Merci de votre attention

Documents

Pierre BEUZIT Président d’ALPHEA Hydrogène …turbo-moteurs.cnam.fr/publications/pdf/conference1_2008.pdf · réduction de la quantité de catalyseur /10 (nano catalyse) ... Reformage