P. Lucchese

L’HYDROGÈNE, UN VECTEUR ESSENTIEL
POUR OPTIMISER LES SYSTÈMES
ENERGÉTIQUES DURABLES
Paul LUCCHESE,
CEA
CEA | 10 AVRIL 2012
| PAGE 1
Technologie
CEA-Tech
acteur français majeur en recherche technologique
Défense
Sécurité
Energie
Nucléaire
Direction
des
Applications
Militaires
Direction
de l’Energie
Nucléaire
Recherche
Technologique
Direction
de la Recherche
Technologique
Grenoble
Laboratoire d'Electronique et des Technologies
de l'Information
Saclay
Science
Laboratoire d’Intégration des Systèmes
et des Technologies
Recherche fondamentale
Direction des Sciences de la Matière
Direction des Sciences du Vivant
Grenoble, Chambéry, Provence
Laboratoire d’Innovation pour
les Technologies des Energies nouvelles
et les Nanomatériaux
Octobre 2012: annonce premier ministre
CEA technologies s’implante à
Solaire
Toulouse, Bordeaux, Nantes, Lorraine
Pour développer innovation au service des entre
prises
Batteries, hydrogène, Pac
BIOMASSE, biocarburants
Efficicacité énergétique
Solaire batiment transport
SOMMAIRE
• Contexte énergétique: tendances et drivers
• International
• Europe
• France
• Hydrogène et piles à combustible
• Principe et description des technologies
• Etat de l’art et verrous scientifiques et techniques
• Applications principales
• Insertion de l’hydrogène dans un système énergétique durable
• Vision dans la Mobilité et le système Energie
• Programmes et projets
• Situation en France, AFHYPAC et exemple de McPhy
• Conclusion
Le rôle de l’ Innovation pour la transition énergétique
| PAGE 3
Les questions énergétiques aux XXI ème siècle
•
Les problèmes clés:
Billions Barrel of Oil Equivalent / year
–
Comment répondre à la demande croissante ?
400
–
Quelles sont les ressources en énergie primaire?
350
–
Leur accessibilité ? Physique, politique…
300
–
Leur mise en œuvre ?
250
•
•
•
–
Technologies de l’énergie
Intégration et gestion de différentes sources,
vecteurs, réseaux
Polluants, gaz à effet de serre
Pérennité des sources
Accessibilité économique
Comment créer de l’activité économique pérenne
Modèle XX ème siècle >>>
- Prédominance pétrole/Charbon >>>
- politique nationale forte >>>
New Energy
Technologies
200
Fossil Energies
150
Comment concilier développement durable et énergie
•
•
•
•
World Energy Needs
100
50
0
1900
2000
2100
2200
2300
Nouveau Modèle XXI ème
Mixte énergétique diversifié
Coopération internationale
- Modes production centralisé /Monopoles >>>
Réseau, gestion complexe des sources et réseaux,
interdépendance, concurrence
- vecteurs peu nombreux >>>>>>
Nouveaux vecteurs, Nouvelles technologies
| PAGE 4
EMISSIONS DE CO2 PAR SECTEUR
G Goma /C Jouve Lima mars 2012
5
POLITIQUE EUROPÉENNE SUR L’ENERGIE
SECURITE, ENVIRONNEMENT, COMPÉTITIVITÉ
OBJECTIF 2020: 20 % d’énergies renouvelables
20 % de réduction de GES
20 % de gain en efficacité énergétique
POLITIQUE ENERGETIQUE EN FRANCE
Economie et social
Jobs/made in France/accès à une énergie abordable
Securité énergétique/
Fossil fuels-free Economie
Consommation Finale Energie France, 2010
Environnement
GES CO2, pollutions locales
Engagement France/ objectifs nationaux
Engagement contraignant 2020
Kyoto Et Europe
•23 % de renouvelables dans la conso finale
2020 : Hydraulique, éolien biomasse
•20 % CO2 reduction en 2020
•20 % amélioration efficacité énergétique
2050 Loi Pope programmation
FACTEUR 4 80 % de réduction de gaz à effet de
serre
Loi de programmation Energie 2014: 50 % de
réduction de consommation énergie 2050?
2007-2009: Grenelle Environnement,
Constitution Chartre Environnement
| PAGE 7
SOMMAIRE
• Contexte énergétique: tendances et drivers
• International
• Europe
• France
• Hydrogène et piles à combustible
• Principe et description des technologies
• Etat de l’art et verrous scientifiques et techniques
• Applications principales
• Insertion de l’hydrogène dans un système énergétique durable
• Vision dans la Mobilité et le système Energie
• Programmes et projets
• Situation en France, AFHYPAC
• Conclusion
Le rôle de l’ Innovation pour la transition énergétique
| PAGE 8
LE COUPLE HYDROGÈNE/ PILE À COMBUSTIBLE
L’HYDROGÈNE:
UN NOUVEAU VECTEUR ÉNERGÉTIQUE PROPRE
LA PILE À COMBUSTIBLE :
CONVERTIT L’ÉNERGIE DE L’HYDROGÈNE EN ÉLECTRICITÉ
ET CHALEUR
DE FAÇON EFFICACE (RENDEMENT> 40 %)
ET PRODUIT DE L’EAU
LES APPLICATIONS:
TRANSPORTS
ENERGIE: STOCKAGE DE L’ENERGIE ET STATIONNAIRE
(PRODUCTION ELECTRICITÉ/CHALEUR)
PORTABLE ET APPLICATIONS NOMADES, MARCHÉ DE NICHES
9/9
Des piles à combustible dès le 19ème siècle
H Cavendish
A-L Lavoisier
1766
1781
1838-1839
L’Allemand Christian Schönbein
Découvre le principe de la pile à combustible
1839-1942
L’Anglais William R. Grove monte la première pile à
combustible
1804
LJ Gay Lussac et A Von Humbolt
1939-1953
L’Anglais Francis
T. Bacon monte
la première pile
de puissance
1960
Utilisation
par la
Nasa
PROPRIÉTÉS DE L’HYDROGÈNE….
1,5
5
Safety relevant properties of
density
1,0
air gas (kg/m3)
kg/m 3
- hydrogen
- natural gas dry
- propane
- gasoline vapour
3
2
0,7
0,3
0,2
0,15
0,2
natural gas dry
propane
hydrogen
gasoline vapour
detonationsensitivity -1
0,1
100
1,5
propane
0,12
=1
0,08
1/mm
=1
natural gas dry
specific combustion heat
120
MJ/kg
2
30
gasoline vapour
140
2,5
40
0
hydrogen
3
50
10
0
gasoline vapour
Benzindampf
20
0,05
0
Propan
60
0,1
0,1
Erdgas trock.
flammability limit
70
=1
UEL-LEL (%)
0,4
laminar
flame velocity
-2,0
-3,0 Wasserstoff
-3,5
gasoline vapour
0,25
propane
-1,5
80
0,3
mJ
cm 2/s
propane
ignition energy
0,5
m/s
natural gas dry
0,35
diffusioncoefficient
natural gas dry
-1,0
-2,5
hydrogen
hydrogen
0,0
-0,5
1
0
0,6
buoyancy
0,5
4
80
0,06
60
0,04
1
40
0,5
20
0,02
0
0
0
hydrogen
natural gas dry
propane
gasoline vapour
hydrogen
natural gas dry
propane
gasoline vapour
hydrogen
natural gas dry
propane
gasoline vapour
L’Hydrogène : déjà une réalité industrielle
2006 : Production mondiale Hydrogène 630
Milliards Nm3 (ALPHEA), soit 59 Mt, soit 160
MTep, soit ~ 2 % (PCI) de la consommation finale
d’énergie (Mémento de l’Energie 2008)
Environ la moitié de l’hydrogène est aujourd’hui
Issu de
volontairement produit, à 95% à partir d’énergies fossiles
Roads2Hyco
(gaz, charbon)
m
La production de 1 KG génère aujourd’hui 10 à 12 Kg de CO2!
Le production mondiale d’H2 génère autant de CO2 qu’un
pays comme l’Allemagne
Les secteurs consommateurs d’hydrogène aujourd’hui
Répartition de la consommation en 2006
(données Delphis)
60%
50%
40%
Monde
30%
Europe
20%
10%
tre
s
au
rg
ie
al
lu
ch
im
ie
H
M
eO
m
ét
ra
f
fin
N
er
ie
s
H3
0%
D’Estaintot G, Thiry S. Vue d’ensemble du marché de l’hydrogène. In: Étude de marché :
l’Hydrogène Industriel en France 2009. By courtesy of D. Grouset (N-GHY) and B. Grano
(ENSTIMAC)
La pile à combustible
Transformation directe de l’énergie chimique en énergie électrique
via une réaction redox (comme une pile classique)
Différences par
rapport à une pile
classique
• Alimentation continue
en combustible: H2,
CH3OH, CH4, … et en
comburant: O2, air…
• Système non polluant
(H2O, …)
• Electrodes comprenant
des matériaux
catalytiques (Pt, Ni, Pd,
Ag, …)
• Densités d’énergie très
élevées (> quelques
kWhr/kg)
L’ARCHITECTURE D’UNE PILE :
DE LA CELLULE AU MODULE
Exemple de la Pile à Membrane échangeuse de protons
Module
H2
Assemblage filtre-presse
Air
Cellule élémentaire
Plaque bipolaire
Assemblage membrane-électrodes
Composants, électrodes et
AME
Cellule unitaire PEMFC
Module PEMFC
GENEPAC 20 de 23 kW
(projet FiSyPAC avec PSA)
| PAGE 15
L’ARCHITECTURE D’UNE PILE :
L’INTÉGRATION SYSTÈME
Exemple de la Pile à Membrane échangeuse de protons
Filtre
Convertisseur
DC/DC
Intégration
système
Recirculation
Anode
Régulation
de débit
Détendeur
Cathode
Ventilation
H2
Humidificateur
Compresseur
Sortie
H2
Condenseur
Pompe
Régulation
de pression
Régulation
thermique
Sortie
air
Ventilation
Réservoir
Pompe
Hydrogène
Air
Eau
Boucle de refroidissement
Circuit électrique
Eau
Séparation
de phases
Purge
Intégration véhicule
| PAGE 16
Les transports:
Grand public: scooter,
automobile … 5000h, 50 € kW
Transports publics, maritimes,
poids lourds, trains, spatial,
aéronautique…
Performance
improvments
LES GRANDES APPLICATIONS DES PILES À COMBUSTIBLES
Long term Markets
Le stationnaire: fiabilité(> 40 000h), coût
1000-1500 €/kW
Avec ou sans cogénération
Résidentiel, isolé ou connecté
Décentralisé
Le couplage aux énergies renouvelables
Les marchés précoces
Militaires, sites isolés, UPS,
portables, géné de secours …
Chariots élévateurs
Telecoms
Petits véhicules
Early markets
Mid term markets
Réduction des co
Les mini et micro Piles
Teléphones cellulaires, PDA,
Ordinateurs …
17/9
PROGRÈS SPECTACULAIRES EN 15 ANS
18
LES PROGRÈS DE LA FILIÈRE PILE À COMBUSTIBLE
Evolution des performances des systèmes PEMFC pour l’automobile
La pile à combustible Une réalité industrielle| 28 Novembre 2012
| PAGE 19
SOMMAIRE
• Contexte énergétique: tendances et drivers
• International
• Europe
• France
• Hydrogène et piles à combustible
• Principe et description des technologies
• Etat de l’art et verrous scientifiques et techniques
• Applications principales
• Insertion de l’hydrogène dans un système énergétique durable
• Vision dans la Mobilité et le système Energie
• Programmes et projets
• Situation en France, AFHYPAC
• Conclusion
Le rôle de l’ Innovation pour la transition énergétique
| PAGE 20
Performance technologies électriques
>70 % émissions CO2
System
cost
EV
EV is
advantageous
Lowest cost CO2 abatement solution
2050
PHEV/BEV/FCEV
FCV
<10
FCV is
advantageous
Cruising range
FCV: System cost increase for longer cruising distance is relatively
small - It is advantageous in mid-to-long-drive-range applications
Annual
driving
distance 10-20
(1,000 km)
>20
125 Kg
FCEV
830 Kg
A/B
C/D
260 l
670 l
Source: A portfolio of powertrains for Europe
Coordinated by Mac Kinsey, 2010
J
LA MAJORITE DES CONSTRUCTEURS AUTO ONT ENVOYÉ DES SIGNAUX FORTS
EN 2009-2010
22
COMMERCIALISATION PROCHE
Dates annoncées pour le lancement de la commercialisation
2017
2015
2017
2020
2018
2015
2015
| PAGE 23
| PAGE 24
Hyundia 2014 Toyota 2015
Des pionniers…
Un marché important en cogénération (CHP)
DALKIA – OPAC / 20%
énergie 283 logements à
Paris
CERAMIC FUEL CELLS LIMITED TO
COLLABORATE WITH GAZ DE
FRANCE AND DE DIETRICH
THERMIQUE FOR RESIDENTIAL
COMMERCIAL HEAT AND POWER
SYSTEM (décembre 2006)
1kW SOFC stack and balance of
plant that can be integrated into a
micro-Combined Heat and Power
(CHP)
Net - Gen 1 kW
Japon est aussi leader
pour les applications résidentielles des piles à combustible
Application for installation
Application
Subsidy
METI∙NEDO
NEF
Energy suppliers
Residences
Subsidy
Hokkaido
3 sites
Tokyo Gas
Dat
a
Demonstration Project Site
Osaka Gas
Nippon Oil
Fuel
Japan Energy
SFC
Hot
Wat
erT
ank
Idemitsu
Kyushu Oil
Taiyo Oil
Toho Gas
Saibu Gas
Hot water for Bath,
Heating
Data
Iwatani
30 in 2005,
500(2005)
8000(2009)
40 000 2012
Tohoku
2 sites
15,3 % benefit on
primary energy
846 Kg/site/year
CO2, -28%
Web site:
http://happyfc.nef.or.jp
Cost of selected BOPs [x 10 4 yen]
Cosmo Oil
Kamata (LemonGas)
50
Showa Shell Sekiyu
othe
rvalve
sensor
rotating machinery
\410000/ｋW
40
30
20
\120000/kW
\80000/ｋW
10
0
Cost at
beginning
expectation('07)
Kinki
76 sites
Total
Chugoku
13 sites
Kyushu
34 sites
target(FY2008)
Shikoku
13 sites
Chubu
32 sites
Kanto
307 sites
27/9
Autres applications
PLACE H2
CEA SACLAY
Système de secours 30
kW, stockage H2 200
bar, 8 h d’autonomie
28/9
STOCKAGE MASSIF ET INTERMITTENCE DES ENR
30
DEMONSTRATION D’INTEGRATION D’ENR PAR
L’HYDROGENE EN ALLEMAGNE
TROIS PAYS LEADERS
DÉPLOIEMENT EN IMMINENT
Déploiements des véhicules et des stations services
| PAGE 32
UN PROGRAMME EUROPÉEN MAJEUR:
JTI HYDROGÈNE 2007-2017
SUIVI BIENTÔT PAR UN DEUXIÈME JTI 2014-2024
Partenariat public/privé perenne approuvé par EC, Parlement, Etats Membres
Objectif: accélerer déploiement technologies H2 et Pac Transports, Stationnaire
production et marchés précoces
7 années 2008-2013, 940 M€, 50 % industrie
33
Afhypac
34
Exemple of Equipment Manufacturers – List in not exhaustive
H2 Production
Storage & distribution
Fuel Cell
PEM Electrolyzer
Storages
PEM Fuel Cells
CETH
EADS/Composites Aquitaine
Areva/Helion
Areva/Helion
Raigi
Air Liquide/Axane
HyCan
PaxiTech, Pragma
System Integration
Reformer
McPhy
HyPulsion
Air Liquide
Mahytec
SymbioFCell
Filling Stations
Soprano
Air Liquide Advanced
Technologies
Renault
35
Hydrogen2012@Tok
yo
FUEL CELLS
&
Mia-Electric
HYDROGEN
FAM
auto
IN FRANCE
TODAY
Michelin
Example of Producers, marketers, service providers, …
H2 Production
H2 Distribution
Fuel Cell installation & maintenance
Air Liquide
Air Liquide
Air Liquide Hydrogen Energy
Air Products
Air Products
SPIE
Linde
Linde
Veolia
GDF SUEZ
GDF SUEZ
GDF SUEZ
WH2
TOTAL
EADS/CASSIDIAN
36
Hydrogen2012@Tok
yo
FUEL CELLS
&
HYDROGEN
IN FRANCE
TODAY
L ES TERRITOIRES S ’ IMPLIQUENT
Electro
lyser
H2
Storage
electr
icity
Hydrogen
to fuel the
fishing boat
H2
distribu
tion
ISO TC 197 6 DECEMBRE 2013 PARIS
40
EADS
COMPOSITES
Serial production started in september
2013
AQUITAINE
CONTINUE
| PAGE 42
TO DEVELOP
29 avril
2014
SOME EARLY
MARKET
| PAGE
432012
Nicole Mermilliod
Juin
APPLICATION
Innovation hors constructeurs
Recent hydrogen prototypes
FAM City H2 : first hydrogen registration
in France (December 2011)
HyKangoo (SymBioFuelCell and Renault)
SYMBIOFCELL
HIGH POWER SYSTEMS (5-500KW)
NEW PROJECT IN PARIS
• Project to install PEMFC for a 1000
passengers boat on Seine river
• 500 kW PEMFC, 180 KG H2 stored
• 12 M€
• First boat in service in 2015
29 avril
2014
| PAGE 46
AIRCRAFT BECOME ELECTRIC!
29 avril
2014
| PAGE 47
• Short term applications
•
•
•
Last resort Wind turbine in commercial
aircraft
40 kW PEM, 2-4 Kg H2
On board power and energy supply
•
Mid term APU: 4x60 kW
•
Specific applications
•
WG80 EUROCAE-SAE
•
Long term: electric propulsion?
One of 34 industrial innovation
project from Industry ministry
HYDROGEN
FOR
| PAGE 48
AERONAUTIC
MYRTE Project
Solar Energy and Hydrogen Storage in the Corsica island
49
Mars 2014
Janvier 2014
Conclusion
Le rêve deviendra t il réalité ?
« Je crois que l’eau sera un jour employée comme
combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la
constituent, utilisés isolément ou simultanément,
fourniront une source de chaleur et de lumière
inépuisables et d'une intensité que la houille ne
saurait avoir. »
Jules Verne, L’Île mystérieuse (1874)
Merci pour votre attention
DES TECHNOLOGIES MATURES TECHNIQUEMENT MAIS PAS
ÉCONOMIQUEMENT
Cab Hybride
30kW PEMFC, 14kWh LiP
400km autonomie

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