LES PILES A COMBUSTIBLES

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
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Introduction
Principes généraux de fonctionnement
Types de piles
Applications transport
Applications stationnaires
Acteurs du domaine
Conclusions
Sites utiles
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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)
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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
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LA PILE A COMBUSTIBLE
PRINCIPES GENERAUX
• Schéma d’une pile H2/O2(air)
e-
Charge
e-
Cathode
Anode
H2
O 2, N 2
H2O
H3O+
O2, N2
H2O, vapeur et liquide
H2O, vapeur et liquide, H2
Electrolyte
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Détails techniques
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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
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Piles commercialisées
• Ballard Mark 1020 ACS, de 300 W à 5 kW
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Systèmes complets
• Du combustible (GN, H2, …) à l’électricité
• 5 kW Axane
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LA PILE A COMBUSTIBLE
Caractéristiques générales
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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
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Puissance et efficacité d’une pile
• Selon la courbe courant tension, choix d’un point
de fonctionnement nominal
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TYPES DE PILES
AFC
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Alcalines (AFC)
Missions APOLLO
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
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Pile alcalines
• Quelques petites firmes s’y
intéressent : Independant Power,
CENERGIE …
• Pile standard de 6 kW, pouvant
fonctionner à – 25 °C
• Sur des taxis londoniens
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TYPES DE PILES - PEMFC
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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
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Les PEMFC
• Principaux fabricants : Nuvera (DNP Italie),
Ballard (Canada)
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PEMFC BALLARD
• Premier fabricant au monde (600 personnes)
• Toutes cibles (transport, secours, portables…)
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TYPES DE PILES - PAFC
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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
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TYPES DE PILES - MCFC
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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
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TYPES DE PILES - SOFC
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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
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Première SOFC « commerciale »
• Sulzer (CH) 1 kW ; 30 % efficacité
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SOFC - Siemens Westinghouse
220 kW GT-FC hybrid system
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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
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Synthèse
• Typologie des différentes piles à combustible
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Applications automobiles
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Voiture électrique à autonomie > 400 km
Projets constructeurs, prototypes
Piles PEM : 30 kW, combustible embarqué
Pile = production d’électricité à bord
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Rendements aux roues
• A partir des carburants bruts
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Pb de la mise à disposition d’hydrogène
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Quel combustible pour le
transport automobile ?
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Piles « froides » : inertie thermique
Combustible = hydrogène
Autonomie = moteurs thermiques > 500 km
Temps de recharge : quelques minutes
Comment stocker l’hydrogène à bord ?
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Liquide (- 250 °C)
Sous pression (>500 bars)
Nanostructures de carbone
Dans un composé chimique (NH3, CnHm)
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Stockage d’hydrogène
• Contraintes réglementaires et craintes sociales
(effet Zeppelin) ; réseau de distribution
• Réservoir liquide
–
–
–
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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)
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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 : reformeur
embarqué (plasma pour générer les
conditions thermodynamiques) :
volumes, inertie, filtres, auxiliaires …
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Projets Daimler Chrysler
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Projet Fever Renault
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Projets PSA
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Projet Fiat
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Tous constructeurs
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Souplesse et
efficacité ?
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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
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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 ;
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> 100 bus
• De plus en
plus de villes
s’équipent.
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Consommations comparées
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Emissions comparées
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• 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
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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
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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
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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...)
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Une installation sur PEM
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Systèmes combinés
• Alimentation d’une SOFC sous pression
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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)
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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.
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Plug Power - GE
• Sur le marché : 7 kW
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Schéma de principe
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Applications « portables »
Système complet Ballard de 1,2 kW
Vélo assisté électriquement
Ordinateurs, téléphones portables…
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Offre française
• 2 PME filiales de grands groupes
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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 …
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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
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Conclusions - 2
• Contexte français : bilan mitigé
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Un passif lourd (efforts de l’IFP jusqu’an 1975)
Compatibilité avec le nucléaire
Taille des fabricants 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, une sur de l’habitat social (VEOLIA) à Paris,
depuis fin 2006, une sur un relais Bouygues Télécom…
– Trop peu de laboratoires de recherche impliqués sur les piles et leurs
systèmes (CNRS, CENG, EMP)
• L’avenir proche : des actions à prendre
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Déréglementation, intérêt des «fontainiers»
Implication des industriels, ANR
Le transport tirera la cogénération
La filière Hydrogène ?
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Sites internet
• Des centaines de sites
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www.fuelcells.org
www.hfcletter.com
www.fuelcelltoday.com
www.fuelcellmarkets.com
• Les sites des constructeurs
• Automobiles,
• De piles : Ballard, Nuvera,
Axane ,
• …
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