LES PILES A COMBUSTIBLES Générateurs d’électricité et chaudières du 21ème siècle ? Jean Jacques BEZIAN Ingénieur de recherche, HDR Enseignant chercheur à l’Ecole des Mines d’Albi Plan de la présentation • • • • • • • • Introduction Principes généraux de fonctionnement Types de piles Applications transport Applications stationnaires Acteurs du domaine Conclusions Sites utiles 2 Introduction • Vecteur électricité – Applications captives (dont info et télécoms) – Facilité de transport – Stockage efficace mais coûteux • Problèmes environnementaux – Rejets des moteurs thermiques • Emissions de polluants (NOx, SOx, COx...) • Bruit • Développement d’un nouveau générateur d’électricité non polluant (et silencieux) 3 LA PILE A COMBUSTIBLE PRINCIPES GENERAUX • Principe connu dès 1840, inverse de l’électrolyse H2 + 1/2 O2 donne H20 et électricité • Largement utilisé dans les programmes spatiaux, mais utilisation de catalyseurs nobles 4 LA PILE A COMBUSTIBLE PRINCIPES GENERAUX • Schéma d’une pile H2/O2(air) e- Charge e- Cathode Anode H2 O 2, N 2 H 2O H 3O + O 2, N 2 H2O, vapeur et liquide H2O, vapeur et liquide, H2 Electrolyte 5 Détails techniques 6 La première pile européenne Système d'humidification Plaques de soutien Plaques bipolaires non refroidies EMA Plaques bipolaires refroidies 45 cellules actives en série Pile PEM de 10 kW 7 Piles commercialisées • Ballard Mark 1020 ACS, de 300 W à 5 kW 8 Systèmes complets • Du combustible (GN, H2, …) à l’électricité • 5 kW Axane 9 LA PILE A COMBUSTIBLE Caractéristiques générales • • • • • • • • Pas de limitation du cycle de Carnot Rendement électrique : jusqu’à 60 % sur PCI A peu près constant de 50 à 100 % du nominal Pas d’effet de taille (du mW au MW) Si H2 et O2 (ou air) seul rejet : eau Densités volumiques de puissance : 3 à 4 kW/kg Durée de vie : > 40 000 heures (PAFC) Pas de pièce tournante, pas de bruit 10 Puissance et efficacité d’une pile • Selon la courbe courant tension, choix d’un point de fonctionnement nominal 11 TYPES DE PILES - AFC • Alcalines (AFC) • Electrolyte : Potasse • Température : 60 à 80 °C à P = 1 atm. – jusqu’à 230 °C à P supérieure • Catalyseurs non précieux (Nickel) • Sensibilité au CO2 : à éliminer • Taille unitaire max. : 500 kW (projet) • Pas à la mode, mais de gros potentiels 12 Pile alcalines • Quelques firmes s’y intéressent : ASTRIS, Independant Power, CENERGIE … • Pile standard de 5 kW, pouvant fonctionner à – 25 °C • Sur des taxis londoniens 13 TYPES DE PILES - PEMFC • • • • • A membrane polymère (PEMFC) Electrolyte : membrane solide acide Température : 80 à 90 °C à P de 1 à 4 atm. Catalyseurs précieux (Platine : 0,25 g/kW) Sensibilité au CO : quelques ppm seulement (sinon pollution des sites réactionnels) • Taille unitaire max. : 250 kW • De gros potentiels en transport et en stationnaire 14 Les PEMFC • Principaux fabricants : Nuvera (DNP Italie), Ballard (Canada) 15 TYPES DE PILES - PAFC • • • • • • • • A acide phosphorique (PAFC) Electrolyte : acide phosphorique liquide Température : 180 à 210 °C à P : 1 à 6 atm. Catalyseurs précieux (Platine : 0,25 g/kW) Sensibilité au CO : 1 % admis en volume Taille unitaire max. : 200 kW Près de 200 installations Technologie qui serait obsolète 16 TYPES DE PILES - MCFC • • • • • • A carbonates fondus (MCFC) Electrolyte : carbonate Li et K fondus Temp. : 600 à 700 °C à P : 1 à 6 atm. Catalyseurs (à base de Ni) Insensible aux polluants : CO Taille unitaire : 240 kW (MTU), 300 kW (FCE) • Possibilité de réformage interne, et de cogénération avec 85 % de rendement • Développement faible 17 TYPES DE PILES - SOFC • • • • • • • • A oxydes solides (SOFC) Electrolyte : ZrO2 et Y2O3, tubes ou plaques Température : 850 à 1000 °C - > 650 °C Catalyseurs (à base de Ni et oxydes) Insensible aux polluants Taille unitaire max. : 25 kW Réformage interne Les plus gros espoirs (efforts de recherche) en production stationnaire 18 Première SOFC « commerciale » • Sulzer (CH) 1 kW ; 30 % efficacité 19 SOFC - Siemens Westinghouse 220 kW GT-FC hybrid system 20 TYPES DE PILES - Synthèse • Basses températures : AFC et PEMFC – Démarrage « instantané » – Sensibilité aux polluants : H2 pur • Moyennes températures : PAFC – Démarrage long (5 heures) – Compromis actuellement commercialisé • Hautes températures : MCFC et SOFC – Démarrage long – Fortes densités de puissance – Divers combustibles – Possibilité de cycles combinés 21 Synthèse • Typologie des différentes piles à combustible 22 Applications automobiles • • • • Voiture électrique à autonomie > 400 km Projets constructeurs, prototypes Piles PEM : 30 kW, combustible embarqué Pile = production d’électricité à bord 23 Rendements aux roues • A partir des carburants bruts 24 Pb de la mise à disposition d’hydrogène 25 Quel combustible pour le transport automobile ? • • • • • Piles « froides » : inertie thermique Combustible = hydrogène Autonomie = moteurs thermiques > 500 km Temps de recharge : quelques minutes Comment stocker l’hydrogène à bord ? – – – – Liquide (- 250 °C) Sous pression (>500 bars) Nanostructures de carbone Dans un composé chimique (NH3, CnHm) 26 Stockage d’hydrogène • Contraintes réglementaires et craintes sociales (effet Zeppelin) ; réseau de distribution • Réservoir liquide – – – – Isolation 3 x volume du liquide Pertes thermiques : dégazage Flottes captives uniquement Recharge longue et complexe • Sous pression – Coût énergétique – Problème de sécurité – Bouteilles en échange standard • Nanostructures (matériaux divisés) 27 Dans un composé chimique • Nitrogéné : NH3, N2H4 : toxicité, acceptation sociale et réseau de distribution • Essence : intérêt : accepté et réseau de distribution partout • Biocarburants : renouvelables • Problème : réformage à bord • CnHm + 2n H2O -> n CO2 + (2n + m/2) H2 ; • Mais réactions complexes, complètes (pas de CO) dans des conditions strictes • Etat de la recherche : réformeur embarqué (plasma pour générer les conditions thermodynamiques) : volumes, inertie, filtres, auxiliaires … 28 Projets Daimler Chrysler 29 Projet Fever Renault 30 Projets PSA 31 Projet Fiat 32 Tous constructeurs 33 Souplesse et efficacité ? 34 Transports collectifs terrestres • Bus : piles PEM moins compactes, de nombreuses applications de terrain (flottes « captives » ; parcours connus) • Trains : APU à l’arrêt et possibilité piles hautes températures et reformage à bord, alternative à l’électrification des voies 35 Exemple de réalisation • Caractéristiques : 4 piles PEM SIEMENS de 30 kW, 60 °C, 1,5 bars, stockage 250 bars, 250 km d’autonomie ; bus MAN 12m, 18 t ; 36 Consommations comparées 37 Emissions comparées 38 • Sous marins : moteur électrique silencieux et pas d’émission de polluants • Navires : propulsion et production d’électricité auxiliaire APU (même pour voilier de plaisance) • Approvisionnement : reformage fuel Marine et piles à combustible 39 Aéronautique et pile à combustible • Spatial : production eau et électricité à bord • Alimentation des drones • Planeurs assistés : moteur électrique silencieux • Autres aéronefs : puissance en régime de croisière, APU 40 Cogénération « électrique » • Cogénération chaleur - électricité • Rendement de 40 % - 40 % (< 50 % chaleur) à 60 % - 25 % • Près de 200 installations dans le monde • Puissance 200 kW - 2 MW 41 APPLICATIONS • Cogénération : cibles optimales – Sites reliés au gaz naturel – Consommation de chaleur – Possibilité de revente sur le réseau (primes) • Centrales électriques (optimisation des rendements sur PCI) sans bruit ni émissions • « Micro cogénération » pour la maison individuelle : 3 kW suffisent • Nano applications (générateur portable...) 42 Une installation sur PEM 43 Systèmes combinés • Alimentation d’une SOFC sous pression 44 Schéma de principe • Avantages : à 3 bars, + 10 % efficacité de la pile, on turbine en sortie • 58 % à 250 kW, 70 % à partir de 2 MW (bons rendements à petite puissance) 45 Application cogénération domestique BOUCLE DE CHAUFFAGE CHAUDIERE PILE BALLON EAU CHAUDE SANITAIRE ECHANGEUR La pile produit de l’électricité pour substitution ou revente Le circuit de refroidissement de la pile (75 °C en sortie) sert de boucle primaire pour les circuits ECS et chauffage. La chaudière est un appoint (niveau de température trop bas dans le ballon) L’échangeur permet de refroidir l’eau si niveau de température trop haut en entrée pile. 46 Plug Power - GE • Sur le marché : 7 kW 47 Schéma de principe 48 Applications « portables » Système complet Ballard de 1,2 kW Vélo assisté électriquement Ordinateurs, téléphones portables… 49 Offre française • 2 PME filiales de grands groupes 50 ACTEURS : Piles et reformage • La plupart des grands groupes mondiaux : – Construction automobile (GM, MERCEDES, TOYOTA, RENAULT, PSA, VOLVO...) – Electro mécanique (SIEMENS, GEC ALSTHOM, DAIMLER, WESTINGHOUSE, TOSHIBA) – Chimie (DuPont, FUJI, DOW, ASAHI, GORE...) – Producteurs d’énergie (EDF, GDF, HYDRO QUEBEC, compagnies US et J...) – Défense et spatial • En France : EDF, GDF, Renault, PSA, Air Liquide, AREVA • Recherche : IFP, CEA, CNRS, EMP • PME : N-GHY, AXANE, HELION … 51 Conclusions - 1 • Contexte très favorable au développement de l’usage des piles à combustible – Rendements en génération d’électricité supérieurs aux systèmes thermiques – Coûts décroissants avec le nombre d’installations et les développements technologiques – Densités de puissance équivalentes aux moteurs – Plage de fonctionnement et pas d’effet de taille – Ni émission locale de polluants, ni bruit – Universalité des applications – Implications des grands groupes industriels 52 Conclusions - 2 • Contexte français : bilan mitigé – – – – – Un passif lourd (efforts de l’IFP jusqu’an 1975) Compatibilité avec le nucléaire Pas de fabricant de pile (HELION, AXANE) Recherche fondamentale sur les SOFC (EDF) Une OD (200 kW en PAFC) sur un réseau de chaleur (EDF - GDF) inaugurée en 2000, et une sur de l’habitat social (VEOLIA) à Paris, depuis fin 2006 – Trop peu de laboratoires de recherche impliqués sur les piles et leurs systèmes (CNRS, CENG, EMP) • L’avenir proche : des actions à prendre – Déréglementation, intérêt des «fontainiers» – Implication des industriels, réseau PACo, ANR – Le transport tirera la cogénération 53 Sites internet • En français : – veille.reseaupaco.org : le site du réseau d’aide à la recherche sur les Piles à Combustibles, dépendant des ministères de la Recherche et de l’Industrie, piloté par le CEA et l’ADEME • En anglais : des centaines de sites – www.fuelcells.org – www.hfcletter.com – www.fuelcelltoday.com • … 54