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Nouvelles énergies pour les systèmes autonomes : pile à combustible, photovoltaïque et mini-éolien

PROJETS PERSyA ET SAPAC Présentation & Applications

www.centre-electronique.fr

Le projet SAPAC est financé par le Conseil Général du Loiretet l’AGGLO Orléans Val de Loire

En partenariat avec :

CRESITT IndustrieCRESITT Industrie, association loi de 1901, est un Centre de Ressources Technologiques en électronique labellisé par l’Etat. Il mène des actions de diffusion, de conseil et d’appuitechnique auprès des PME-PMI de la région Centre et réalise des prestations techniques :expertises, formations et R&D exploratoire.Son équipe d’ingénieurs ou docteurs maîtrise l’électronique communicante, sous ses aspects matériels et logiciels. Ce savoir-faire s’appuie sur un plateau technique à la disposition des industriels (mesure HF et RFID, instrumentation,plates formes embarquées, vision industrielle). www.cresitt.com

GREMILe GREMI est une Unité Mixte de Recherche de l’Université d’Orléans et du CNRS.Les recherches, à très fort caractère expérimental, concernent la conception, la réalisation de procédés plasmas et laser pour des applications dans des domaines très variés : énergétique, matériaux, micro-électronique, nanotechnologies, métrologie, sources de rayonnement, biomédical, propulsion, transports et environnement.Les études à vocation technologique sont privilégiées mais les aspects fondamentaux de la recherche sont très présents et généralement abordés en liaison avec les applications.www.univ-orleans.fr/gremi/

Orléans Val de Loire TechnopoleInterlocuteur privilégié dans le domaine de l’innovation, Orléans Val de Loire Technopole réunit les acteurs du monde économique et scientifique de son territoire. Ses missions s’articulent autour de l’accompagnement à la création et au développement des entre-prises, l’animation des relations recherche/industrie, l’ingénierie de projets structurants et collaboratifs ainsi que la gestion d’études de prospectives. www.tech-orleans.fr

Partenaires financiers

Partenaires Techniques

Le projet PERSyA est financé par le Conseil Général du Loiret, la ville d’Orléans et l’AGGLO Orléans Val de Loire.

ContactsCRESITT INDUSTRIECentre Régional en Électronique et Systèmes pour l’Innovationpar les Transferts de Technologies dans l’industrie (Association loi 1901)

Pépinière du Parc du Moulin • 111 bvd Duhamel du Monceau • 45166 OLIVET CedexTél. 02 38 69 00 61 • Fax : 02 38 25 33 94 • E.mail : [email protected]

La plate-forme PERSyAPlate-forme d’Évaluation des Réseaux de Systèmes Autonomes

ObjECTIf • Mettre en œuvre et évaluer en situation réelle les technologies et éléments disponibles pour rendre un système ou un site autonome (photovoltaïque, mini-éolien, batteries, convertisseurs) et le doter d’interfaces de communica- -tion radiofréquence courte et moyenne portée.

ARChITECTURE DE LA PLATE-fORmE PERSyA • 5 technologies solaires photovoltaïques et d’une mini-éolienne instrumentées • Régulateurs solaires • Mesure de l’ensoleillement, de la température des panneaux • Suiveur solaire • Station météorologique • Batteries de stockage • Liaisons radiofréquences « long range » et « short range » faible consommation • Dataloggers et monitoring à distance • Passerelle réseau • Caméra de surveillance autonome

ANALySE DES DONNÉES

RETOmbÉES / OPPORTUNITÉS • Formations dédiées au photovoltaïque pour les systèmes autonomes et les sites isolés, transfert de compétences. • Développement d’un outil pédagogique : valise solaire Proposée à l’enseignement, la valise solaire a pour fonction de simuler et étudier un système autonome en énergie. • Réalisation de démonstrateurs industriels (faible et moyenne puissance) • Projets et produits industriels

SERVICES ET PRESTATIONS à LA DEmANDE • Formation, détermination du bilan énergétique et autonomie de systèmes et de sites isolés, caractérisation technique et benchmark, conseil et veille technologique.

RENSEIGNEmENTS SUR LA PLATE-fORmE PERSyA • Visite : nous contacter au 02 38 69 00 61

LE PROjET PERSyA EST SOUTENU PAR :

Le CRT CRESITT est soutenu par :

www.loiret.com

www.univ-orleans.fr

www.orleans.fr

www.cnrs-orleans.fr

www.agglo-orleans.fr

www.univ-orleans.fr/polytech

Comparaison des performances réelles et théoriques d’un panneau photovoltaïque

Mesures de transmission radio longue distance

La pile à combustibleDÉfINITION DE LA PILE à COmbUSTIbLE (PAC) • La pile à combustible est un système de production d’énergie, sans combustion. Elle est alimentée en hydrogène et exploite l’oxygène de l’air. La pile produit du courant électrique, par réaction électrochimique entre ces deux éléments. Elle rejette uniquement de la vapeur d’eau et de la chaleur. Ce système est une source d’énergie propre.

ÉLÉmENTS D’UNE PILE à COmbUSTIbLE • Les principaux éléments sont : (a) l’électrolyte, en général fine membrane polymère solide (nafion©), qui doit conduire les protons, mais pas les électrons, et être imperméable aux gaz ; (b) les électrodes (anode et cathode), constituées d’un métal catalyseur (Pt) déposé sur une couche poreuse de carbone conducteur ; (c) les plaques de diffusion ; (d) les plaques bipolaires, parcourues de micro-canaux qui permettent d’assurer la distribution des gaz et l’évacuation de l’eau.

fORmULES • H2 -> 2H+ + 2e- • 2H+ + ½ O2 +2e- -> H2O

fONCTIONNEmENT D’UNE PILE à COmbUSTIbLE 1 L’anode est chargée en hydrogène (H2) provenant d’un réservoir et la cathode est chargée d’oxygène (O2), provenant généralement de l’air. 2 Dans l’anode, les molécules d’hydrogène se dissocient au contact d’un catalyseur (généralement le platine). Pendant que les ions H+ migrent dans l’électrolyte, les électrons circulent dans un circuit externe afin de produire un courant électrique continu. 3 Dans la cathode, on retrouve les électrons, les ions H+ et l’oxygène qui se combinent pour former de l’eau. 4 La réaction produit également de la chaleur qui peut être récupérée. Tant que la pile à combustible est approvisionnée en réactifs, le courant électrique continue de circuler.

LES DIffÉRENTS TyPES DE PILE

LES DIffÉRENTS mARChÉS • Transports (terrestres, maritimes) • Alimentation de secours (groupe électrogène, auxiliaire de puissance) • Applications militaires • Habitat collectif ou individuel (stationnaire) • Applications portables, systèmes autonomes

Le projet SAPACSystème Autonome à Pile à Combustible et photovoltaïque

ObjECTIf • L’objectif du projet SAPAC (2013-2014) est de démontrer la faisabilité d’un système autonome (station météo) à énergie durable (pile à combustible PAC et photovoltaïque PV), sans batterie, et dans des conditions réelles d’utilisation. Toutes les fonctions nécessaires ont été implémentées : mesures météo, stockage, transmission sans fil longue distance, envoi de messages d’alarmes et de maintenance.

AVANTAGES • Le projet SAPAC, soutenu par le Conseil Général du Loiret et l’AGGLO Orléans Val de Loire, s’inscrit dans une démarche environnementale : suppression des batteries au plomb, surface photovoltaïque diminuée, volume et poids réduits. Grâce à la gestion en temps réel de l’énergie disponible (PAC et PV), on cherche a augmenter l’efficacité opérationnelle, la fiabilité et le taux de charge des éléments.

PLAN DE DÉVELOPPEmENT • Travaux du laboratoire GREMI Le GREMI a pu définir les dimensions optimales de la pile à combustible adaptée au système, l’assembler et la caractériser. Par ailleurs, le laboratoire travaille sur la conception d’un électrolyseur permettant l’alimentation de la pile en hydrogène et sur le dimensionnement d’un dispositif de stockage d’hydrogène (de type hydrure). A terme, la pile, l’électrolyseur et le dispositif de stockage doivent être assemblés et permettre aux capteurs de communiquer de façon sûre.

• Travaux du CRT CRESITT Industrie Le CRESITT a pu profiter de l’expérience acquise lors de l’installation de la plate-forme PERSyA pour concevoir et assembler les éléments d’un système électronique communicant recevant l’énergie d’une pile à hydrogène et d’un panneau photovoltaïque. Ce démonstrateur a pu être installé et caractérisé au sein de PERSyA, permettant d’évaluer ses performances et d’envisager des applications industrielles.

Démonstrateur SAPACARChITECTURE DU DÉmONSTRATEUR

RÉSULTATS & RETOmbÉES • Plate-forme d’évaluation et caractérisation de technologies photovoltaïques, pile à combustible et systèmes hybrides. • Expertise et évaluation de solutions radiofréquences pour la transmission de données et les dispositifs d’alerte. • Essais in situ et longue durée. • Validation du marché PAC et des applications pour les petites et moyennes puissances. • Expertise technique, formation et transfert de technologie.

PRINCIPE ET fONCTIONNEmENT

Éléments du marché PACPour les systèmes autonomes et petits sites isolés

Accompagnés par la Technopole orléanaise, les partenaires du projet ont pu investiguer les marchés et applications potentiels de la PAC de petite ou moyenne puissance. L’étudede marché réalisée montre une attente forte de secteurs tels que les applications nomades, les systèmes sans fil, les sites isolés « off-grid », les alimentations auxiliaires, … Une réflexion technique et économique est en cours pour valoriser et développer les concepts mis en oeuvre dans ce démonstrateur de système hybride innovant.

Exploitationdes données

Transmissiondes données

Type de PaC AFC PEMFC PAFC MCFC MCFC

Pile alcalinePile à

membraneéchangeuse de protons

Pile à acidephosphorique

Pile àcarbonates

fondusPile à oxyde

solide

Température defonctionnement 70-100°C 70 - 100°C 150-210°C 650-1000°C 800-1000°C

Domaine depuissance 1W-10kW 1W - 300kW 1W-300kW 10kW-100MW 1kW-500MW

Rendement 55-60% 32 - 40% 36-45% 50-60% 50-55%

Electrolyte 35-50% KOHMembrane

échangeuse de protons

Acidephosphorique

concentréLi2CO3 /Na2CO3

Zircone yttriée

ApplicationsApplications

spatialesVéhicules

électriques

SpatialesAutomobiles

Appareilsportables

Productionélectriquelocalisée

Centralesélectriques

Centralesélectriques

Production et stockage sur site

Génération d’énergie Système de conversion et d’optimisation

de l’énergie

Consommation

Cartouched’hydrogène

Système de gestionde l’énergie

Appareil de faiblepuissance

Démonstrateur SAPAC

Internet

Internet

RadioSystème autonome

Systèmeautonome

Pile à Combustible (PAC)

Photovoltaïque (PV)- 30W / 12V- Monocristallin

Capteurs

SystèmeÉnergieEn cours de développement

Transmissionradio faibleconsommation

CommutationPAC/PV

Conversiond’énergie

StockageSupercond-ensateurs

Alimentationet mise

en veille

Système embarqué - Supervision - Acquisition - Traitement - Transfert radio

- PEMFC- 2W / 5V- Réservoir 10 litres

PAC RéservoirH2

Gestion deélectrolyseÉlectrolyseur

H+

H+

Électrolyte (a)

Eau

Oxygène(O2)

Cath

ode

pore

use

(b)

Anod

epo

reus

e (b

)

Hydrogène(H2)

Cata

lyse

ur (P

t)

Cata

lyse

ur (P

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Plaq

ue b

ipol

aire

(d)

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Plaq

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(d)

Courantélectrique

(c)