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Quels potentiels et quelles perspectives en Midi-Pyrénées ? Les compétences en Recherche S. ASTIER Professeur à l’INP de Toulouse LAPLACE, UMR INPT-UPS-CNRS N° 5213 S. ASTIER, Journée technique H2 26/09/2008 L’hydrogène : un vecteur majeur du futur dans un paysage de l’énergie renouvelé pour un développement durable ? Electricité Hydrocarbures Charbon Pétrole Gaz naturel Nucléaire HYDROGENE ENERGIE Séquestration CO2 Biomasse Court et moyen termes Pyrolyse Electrolyse Solaire Eolien Hydraulique Long terme Moteurs à Hydrogène ou Piles à combustible Electricité + H20 Systèmes autonomes Stockage d’électricité H2 + 1/2 02 Contexte énergétique futur : filière H2 e- Photovoltaïque Electrolyse Craquage (eau) (méthane) e- CH4 H2 Eolien Biomasse Stockage H2 H2 Nucléaire Automobile PAC e- Consommation industrielle e- e- e- Consommation résidentielle Transformation réversible d’électricité en hydrogène énergie, deux vecteurs énergétiques aux propriétés complémentaires H20 + Electricité + Chaleur H2 + 1/2 02 I (A) Electrolyseur Energie Électrique (Solaire, …) Hydrogène énergie 0,5 Vecteur de flux 1 1,5 2 V (volt) Pile à combustible I (A) Vecteur de stock Différents types de piles à combustible Electrolyte NOM DE LA PILE Nature des porteurs de charges Température eO2, N2, H2O, CO2 H2, H2O, CO2 AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC alcalin OH- H2 H2O polymère H2 H+ H2 H2O CO2 H2 H2O acide phosphorique carbonate fondu CO32oxyde solide O22- O2 70-100°C O2 70-100°C H2O 150-210°C O2 CO2 O2 600-800°C basses T° < 200°C hautes T° + Cogénération 850-1100°C COMBUSTIBLE: H2, OXYDANT: O2, (+C0, CH4 si SO, +C02 si MCFC) (+N2 si air) (+C02 si MCFC) > 550°C Travaux de recherches « de l’hydrogène-chimie à l’hydrogène énergie » Pour la production d’hydrogène : • À partir d’hydrocarbures fossiles ou renouvelables : reformage, séquestration • À partir de l’eau : thermocatalyses, électrolyses électricité et/ou chaleurs renouvelables ou nucléaires procédés optimisés, électrolyseurs Pour le stockage et le transport de l’hydrogène : gaz, liquide, hydrures, précurseurs chimiques, réservoirs et réseaux Pour l’exploitation de l’hydrogène : • Combustion • Production d’électricité, piles à combustibles, systèmes hybrides Des matériaux jusqu’aux systèmes Production d'hydrogène par reformage à l’EMAC Pyrolyse flash à haute température de la biomasse ligno-cellulosique et ses composés – production de gaz de synthèse Etude réalisée dans le cadre de la thèse de Carole Couhert, (Novembre 2007, Encadrement : Sylvain Salvador-EMAC). La pyrolyse est la première étape de tout traitement thermique de la biomasse et conditionne la formation de gaz de synthèse pour la production d’électricité, d’hydrogène ou de carburants liquides. L’objectif de ces travaux est d’établir une relation entre la composition d’une biomasse et ses rendements en gaz de pyrolyse. Etude expérimentale de la pyrolyse flash réalisée en fixant les conditions opératoires qui maximisent les quantités de gaz tout en visant un régime intrinsèque (particules d’environ 100 μm) : température de 950°C et temps de séjour d’environ 2 s. Développer un outil de prévision des rendements en gaz d’une biomasse quelconque Ces travaux ont été complétés par une simulation numérique des réactions de reformage des gaz de pyrolyse. Les résultats obtenus montrent que le choix de la biomasse affecte largement les quantités de gaz de synthèse obtenues. Pour envisager une application industrielle, l’étude de la pyrolyse de particules de tailles millimétrique et centimétrique a été réalisée. Le centre RAPSODEE a été à l'origine de la création de deux start-up albigeoises, N-Ghy et Néotim. N-Ghy est une société anonyme, créée en 2002 par D. Grouset , Professeur à l'Emac concevant et développant des reformeurs de carburant produisant de l'hydrogène pour des piles à combustible. En 2007, N-ghy forme une équipe de 15 techniciens et ingénieurs, menant de nombreuses coopérations dans le cadre de projets nationaux et internationaux. Production de gaz de synthèse (CO + H2) à partir de biomasses Étude et modélisation des phénomènes d’interaction entre les gaz et le résidu carboné issus de la pyrolyse de biomasses (F. Nozahic, Thèse Doctorat INPT, 2008) Xavier JOULIA •Définition du système matériel du RTGP(1) – Résidu carboné : Carbone – Gaz : N2, CO, CO2, H2, CH4 , H2O – Goudrons : 9 composés modèles : 1-tétradécène, n- Gaz de synthèse CO + H2 Réacteur Résidu carboné de Traitement des Paille de blé Four tournant 550 °C •Définition du système réactionnel – Gazéification du résidu carboné Gaz de Pyrolyse 1000°C pentadécane, benzène, indène, toluène, phénol, naphtalène, phénanthrène et pyrène •A la vapeur d’eau : C + CO2 2 CO •Au dioxyde de carbone : C + H2O CO + H2 Gaz de pyrolyse – Craquage •Méthane CH4 C + 2 H2 •Goudrons CxHy x C + y/2 H2 Résidu carboné Dégradation des gaz Gaz (CO 2, CO, H 2, CH 4, H2O, N 2) Expérimentation Modélisation Résidu carboné (C) Goudrons (9 compos és modèles) Hydrocarbures Croissance des HAP Aromatiques (1) Réacteur de Traitement des Gaz de Pyrolyse Polycycliques Expérimentation Développement d’un dispositif expérimental à échelle réduite du RTGP Essais préliminaires : • Gazéification au CO2 plus lente que gazéification à H2O • Diminution de la dégradation du méthane par dépôt de suie dû à son craquage • Compétition entre les réactions Dégradation des composés modèles des goudrons : • Composés modèles les plus stables : 1tétradécène , n-pentadécane et naphtalène • Augmentation du taux de dégradation du 1-tétradécène avec la température • Activité catalytique du résidu carboné démontrée sur la dégradation des goudrons • Effet catalytique des suies de craquage des composés modèles sur la dégradation du méthane Modélisation Développement d’un modèle du RTGP permettant d’obtenir des cinétiques Modèle hétérogène : •« Système gaz » : succession de réacteurs parfaitement agités ; Écoulement piston-dispersion, dispersion radiale négligeable • « Système solide » : succession de réacteurs batch alimentés ; Hauteur du lit constante, Réactivité du résidu carboné constante au cours du temps, Suie limitée à la formation de carbone • Couplage des deux systèmes par les transferts de matière Système algébro-différentiel résolu par la Méthode de Gear Sortie de gaz (Module DISCo) z Phase gaz Phase solide Transfert de matière gazeuse Transfert de matière solide Entrée de gaz Département PSI Procédés et Systèmes Industriels Système de conversion d’énergie Production hydrogène-Électricité Equipe COOP- Catherine Azzaro-Pantel Développement de stratégies d’optimisation multicritère par algorithmes génétiques Couplage VHTR - production H2 Usine H2 Monticule séparateur Cycle Iode - Soufre Stockage déporté H2 H2 2 Bâtiment réacteur VHTR enterré Distance sécurité H2 + HI I2 ½ O2 Heat Heat Heat Nuclear Solar Nuclear … H2 HH 2SO 4 SO 2+ HI 2 I2 I Iodine circulation ½ O2 2 HI + H SO 2 HI + 2H SO4 2 4 I2 I+ 2 H22O O ++ SO SO2 2 2 + 2H 4 ½O ½ 2O2 + 2+HSO 2O 2SO H22O 2 S Sulfur circulation HH2OO 2 Water Water H2 Production: 100 mol/s / usine Réacteur Nucléaire Production électrique Cycle Brayton He Direct VHTR (Génération IV) He Addition d’hydrogène dans un réseau existant de gaz naturel 1 CH4 2 16 0.08 0.65 PCI, MJ/m3 à 1 atm 11 35 PCI, MJ/kg à 1 at 120 48 MM, g/mol ρ standard, kg/m3 Challenges environnementaux: Transition vers l’économie H2 Réseaux de gazoduc d’H2 insuffisants (1500 km en Europe) Différence de propriétés entre H2 et GN Aspect sécurité Adaptation du modèle Mass fraction (%) Fraction d’hydrogène H2 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 Pressions extrémités: 60 bar 0,2 0,2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Puissance transmise, kW Utilisation des réseaux actuels limitée à 6-8% d’hydrogène 7000 0 8000 Production d’hydrogène par électrolyse en conditions douces pH 3-8 BioSyM Idée: utiliser des phosphates comme catalyseur homogène de la réduction de l’eau pour la production d’hydrogène Consommation énergétique 3.0 Phos-Phos 6,8 kWh/Nm3 2.6 Ecell (V) Surtension Anodique élevée 2.2 KOH-KOH (conditions classiques) 4,9 kWh/Nm3 1.8 1.4 KOH-Phos (phosphate côté cathodique) Gain 0,6 V Conforme à la biblio 3,4 kWh/Nm3 Surtension Cathodique faible 1.0 0 Régine Basséguy 20 40 60 80 t (min) 100 120 Effet tampon: pH stable Gain énergétique: 31% Valorisation et projets Propriété industrielle (fr: 25/07/2006; Juin 2007 PCT) BioSyM Choix des pays en phase nationale: Fin 2008 Projet: développement d’un électrolyseur prototype Consortium LGC Toulouse, Génie électrochimique 6T-MIC Métrologie, management de projet (scientifique&technologique) CEA (Saclay), Matériaux SAGIM (St-Etienne), fabricant d’électrolyseur Réponse aux appels à projet nationaux Projet: couplage des électrolyseurs LGC avec les énergies renouvelables pour l’électrification de sites isolés Consortium européen les 4 français + Groupe SITEC (Spain), Sustainable energies engineering (PV) Technologic centre AIJU (Spain); Sustainable energies Wageningen University (Netherland); Microbial electrochemical technology Réponse aux appels à projet du JTI Hydrogen and Fuel cells Avec le soutien de Régine Basséguy SAIC INPT Matériaux pour piles et électrolyseurs SO HT Matériaux pour piles et électrolyseurs SO HT Matériaux pour piles et électrolyseurs SO HT Equipe SURF. Contact : Nadine PEBERE [email protected] Surfaces, revêtements et films minces pour des applications « Hydrogène »: Potentialités d’élaboration et d’évaluation de matériaux Dépôts multitechniques de couches minces - Revêtements métalliques : Cu, Al, Fe, alliages complexes métalliques…. Vers des phases de type LaNi5 - Revêtements céramiques : Al2O3, Métal-C-N… Protection de surfaces - Couches minces de polymères - Corrosion - Electrochimie - Elaboration de composites à matrice polymère, céramique - Inhibiteur de corrosion Etudes théoriques de la chimie des surfaces et des interfaces gaz / solide (DFT, Monte Carlo) - Cohésion des agrégats et des solides (lacunes, insertions) - Approche thermochimique et cinétique de la croissance de films Fonctionnalisation de surfaces - Pelliculage, greffage et traitements plasma - Infiltration de préformes fibreuses et poreuses (TiO2) Gestion de l’eau dans les mini-canaux des PEMFC Thèse INPT JB Dupont Sept. 2007 Confidentiel Financement ADEME-Renault Direction IMFT : D. Legendre – J. Fabre Pile PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Rôle des mini-canaux : Alimentation en 02 et H2 Evacuation de H2O en provenance de la GDL Ecoulements « diphasiques » : 2 phases (1 liquide – 1 gazeuse) Problématique industrielle : Maximiser la surface d’échange Alimentation continue en 02 et H2 Prévenir l’engorgement des canaux H2O O2 Gestion de l’eau dans les mini-canaux des PEMFC Contenu des travaux (confidentiels) : Visualisations expérimentales des transitions d’écoulement Simulation numérique JADIM (code recherche IMFT) Mesure des propriétés (de mouillage) des éléments constituant les canaux Etude du remplissage : Génération de l’eau sous forme de gouttes Migration vers les parois opposées à la GDL Structure de l’écoulement : Thèse INPT JB Dupont Sept. 2007 Confidentiel Financement ADEME-Renault Direction IMFT : D. Legendre – J. Fabre Prévenir le régime d’écoulement Favoriser le régime stratifié face au régime intermittent (Cartes d’écoulement) (a) (b) (c) Exemples de simulations numériques mettant en évidence les configurations possibles d’un écoulement gaz (bleu) – liquide (rouge) (a)Écoulement stratifié (b)Écoulement à vagues (c)Écoulement à poches (intermittent) Travaux sur les piles à combustible au LAPLACE. Trois équipes concernées ENESYS (ENergie Electrique et SYStémique) (Resp.: Xavier ROBOAM) Permanents concernés: Stéphan Astier, Christophe Turpin CS (Convertisseurs Statiques) (Resp.: Philippe LADOUX) Permanent concerné: Guillaume Fontes CODIASE (COmmande et DIAgnostic des Systèmes Electriques) (Resp.: Pascal MAUSSION) Permanents concernés: Stéphane Caux, Maurice Fadel, J. Régnier COMPOSANTS ELECTROCHIMIQUES DE STOCKAGE Modélisation, caractérisation et mise en oeuvre des accumulateurs (Lithium-Ions, Acide plomb), supercondensateurs et électrolyseurs HYBRIDATION PAC/CEdS depuis 1999 (Équipes ENESYS et CS) ** Avec CODIASE Principales collaborations industrielles: Hélion, Airbus, Dassault, Thales AES, Schneider Electric, ST-Microelectronics, CEA-Liten Collaborations universitaires: LGC, LEPMI PAC PEM • Modélisation énergétique • Paramétrisation des modèles • Caractérisation expérimentale • Caractérisation de l’état de santé** • Réversibilité SYSTEMES A PILES A COMBUSTIBLE ELECTROLYSEUR • Associations série/parallèle INTERACTIONS PAC/CVS CONVERTISSEURS STATIQUES Évaluation du convertisseur boost et des convertisseurs dérivés pour la conversion très basse tension fort courant ENERGIES RENOUVELABLES photovoltaïque et éolien Travaux sur les piles à combustible menés au LAPLACE, C. TURPIN, 6 novembre 2007, CNAM, Paris. Sources de courant pilotées en tension Modèle circuit (fort signal) d’une PAC: Modèle à électrodes dissociées: Pertes activation et double couche anodiques Tension réversible anodique nact_a Erev_a Pertes ohmiques nohm Rohm Pertes activation et double couche cathodiques Pertes diffusion cathodiques diff GDL _c diff AL nact_c _c Études des interactions PAC/ convertisseurs statiques (électronique de puissance) Mise en évidence du rôle fondamental joué par les phénomènes de double couche électrochimique Tension réversible cathodique Erev_c I I C diffGDL _ c Cdc_a Cdc_c C diffAL _ c nohm I PAC Uc charge Ua + Ucellule VPAC Modèle à électrodes non dissociées: GDL diff AL nact Erev Pertes ohmiques nohm Rohm I CdiffGDL - C diffAL Connexion à un hacheur survolteur (DC-DC) o Simulation T=53 C, Pgaz = 2 bars courant PAC (A) diff Tension réversible Cdc + Ucellule C. TURPIN, S. ASTIER, G. FONTES (2005) tension courant double courant faradique (A) PAC (V) couche (A) Pertes diffusion Pertes activation et double couche 16 IPAC = 20 % 15 14 0.4998 0.4998 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.5 0.5 0.5 0.4998 0.4998 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.5 0.5 0.5 0.4998 0.4998 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 0.5 0.5 0.5 0.6 VPAC = 2 % 0.59 0.58 15.01 If = 0,3 % 15 14.99 Harmoniques 1 0 HF filtrées -1 0.4998 0.4998 0.4999 0.4999 0.4999 0.4999 temps en s 0.4999 0.5 0.5 0.5 par Cdc Modèle énergétique (BOND-GRAPH) d’une PAC: Électrode négative Modèle thermique TM1 ELECTRODE NEGATIVE Domaine thermochimique Flux thermique T(K) TSH2.Jia (W) PH2 (Pa) Réservoir H2 PH2 (Pa) Se TF DH2 cellule (m3.s-1) DH2 stack (m3.s-1) Transformation: Pertes par activation Modèle thermique TM3 bis oxydation Flux thermique Réservoir 02 DO2stack (m3.s-1) TF DO2cellule (m3.s-1) C Red2 Ox2 PH20 (Pa) PH20 (Pa) TF DH20stack (m3.s-1) GO2 (J.mol-1) Jic (mol.s-1) GH2O Réservoir H2O Se Red1 Ox1 TSO2.Ji /2 (W) c I réduction P02 (Pa) P02 (Pa) Se ohm.I Pertes par diffusion Pertes ohmiques (électrolyte…) ohmique énergie chimique énergie électrique T(K) Pelectrique_ composant U composantI act .I a TF Phénomènes irréversibles vus du domaine électrique E rev .I 1/2F Ucellule (V) diff .I H .J i conversion énergie chimique énergie électrique C Ustack (V) I (A) réaction d’oxydoréduction G.J i Pchimique_ composant Domaine électrique Source Sf électrique TS .J i C - 1 c 1/2F conversion énergie chimique énergie électrique Jic DH20cellule (m3.s-1) électrode double couche électrochimique électrolyte double couche électrochimique Flux thermique T(K) puissances chimiques transportées par les réactifs Douches couches électrochimiques TSH2O.Ji (W) Domaine thermochimique Électrode ELECTRODE POSITIVE positive TM3 bis puissance thermique cellule (W) puissance thermique stack (W) T(K) TF Modèle thermique alimenté par toutes les pertes du composant (entropiques, activation, diffusion, ohmiques) T(K) Domaine thermique C. TURPIN, S. ASTIER, G. FONTES (2005), R. SAISSET (2004) électrode Diagnostic de l’état de santé (SoH) d’une PAC : 1) paramétrisation du modèle de la PAC saine/ essais 2) paramétrisation du modèle de la PAC dégradée/ essais 3) comparaison des deux jeux de paramètres obtenus 4) diagnostic de la dégradation Approche dite « du modèle » : Modèle circuit fort signal à électrodes non dissociées: Paramètres d’état Paramètres géométriques Paramètres expérimentaux AL , GDL AL, GDL [m] I 0*[ A] DAL , DGDL [m 2 .s 1 ] Cdc [ F ] diff GDL diff AL * T[K] PH2, PO2 [bars] nact Erev Rohm nohm Rohm I CdiffGDL - C diffAL Cdc + Pgaz = 2 bars, T=53oC 0.9 VPAC 0.85 1- Balayages en courant basses fréquences de fortes amplitudes Essais expérimentaux typiques réalisés: I PAC tension cellule [V] Ucellule 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 t 2 4 6 8 10 12 14 courant [A] VPAC T=65°C, P -3 0.5 x 10 =2bars gaz I=7A I=10A 0 V I PAC t I partie imaginaire [ ] 2- Spectroscopie d’impédance -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 C. TURPIN, S. ASTIER, G. FONTES (2005), V. PHLIPPOTEAU (2009) 2 4 6 8 10 12 14 -3 Partie réelle [] x 10 16 18 1er exemple: STACK 200W ELECTROCHEM P gaz Activation = 2bars 0,34 I0*[A] 170 410,6 Cdc[mF] 190 290 0.95 Expérimental avant stockage Expérimental après stockage Modèle 0.9 0.85 T[°C] 53 65 Rmem [m 4,1 0.8 tension [V] Mise en évidence d’une dégradation des GDL suite à un stockage prolongé (6 mois) sans précaution particulière. 0.75 Diffusion 0.7 0.65 0.6 AL 0,03 0,03 GDL 0,367 0,31 DAL[m2.s-1] 1,24.10-8 1,24.10-8 DGDL[m2.s-1] 10-6 9,6.10-8 0.55 0.5 0.45 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 courant [A] Dégradation des performances des GDL 2ème exemple: Monocellule HELION Mise en évidence d’une dégradation de la couche active cathodique d’une monocelulle ayant subi des cycles d’endurance ON/OFF HEALTHY DEGRADED α* 0,46 0,38 I o * 8,39E-05 6,13E-04 βGDL 0,586 0,306 βAL 0,0786 0,0782 CdL 0,8 0,52 DGDL 1,42E-5 7,91E-7 DAL 5,45E-8 1,29E-8 Current 25% 50% 75% 100% Activation losses Ohmic losses Diffusion losses in AL Diffusion losses in GDL -0.58% -0.01% +2.79% +0.12% -0.10% -0.03% +6.32% +0.25% +0.19% -0.04% +11.0% +0.38% +0.39% -0.06% +17.9% +0.52% Rohm 5,32E-3 5,31E-3 Dégradation des performances de la couche active cathodique C. TURPIN, S. ASTIER, G. FONTES (2005), V. PHLIPPOTEAU (2009) Hybridation d’une PAC et d’un composant de stockage : Architecture électrique générale d’un groupe électrogène à PAC : PAC convertisseur statique nœud électrique convertisseur statique Introduction d’au moins un convertisseur statique charge convertisseur statique Nécessité d’implanter une gestion énergétique contraignant la PAC à compenser les pertes du système. élément de stockage P Mission profile P Technique du partage fréquentiel des puissances (Chapoulie, 2000) FFT pour le dimensionnement des sources pour la gestion énergétique f t Filtering frequency choice PSD Le choix de la fréquence de filtrage doit être respectueux de la dynamique du système PAC. P Filtering frequency t FFT-1 PFC f t FC supplied SD supplied power power C. TURPIN, S. ASTIER, M. GARCIA (2007), R. SAISSET (2004), CHAPOULIE (2000) • PROJET COPPACE •(collaboration avec ALSTOM et CEA ; 2001-2004): Stratégies et structures de commande pour le pilotage des systèmes énergétiques à Pile à Combustible destinées à la traction ferroviaire. depuis 2001 (Équipe CODIASE) • Modélisation d’un système pile à combustible en vue de sa commande optimisée (collaboration avec FC-LAB). Stéphane Caux, Maurice Fadel Travaux sur les piles à combustible menés au LAPLACE Générateur de secours pour avion : Projet européen CELINA AIRBUS - DASSAULT C E LINA Remplacement de la RAT (éolienne) pour le réseau de secours par une PAC hybridée par des supercondensateurs. Mission à réaliser: Architectures retenues et comparées: Profile mission Peak value = 70 kW 70 50 40 30 20 Comparaison architectures Mean value = 40 kW 850 10 800 0 50 100 150 200 250 Temps(s) 300 2 CVS 750 350 Masse (kg) Power (kW) 60 700 CD 650 600 550 500 450 400 C. TURPIN, S. ASTIER, M. GARCIA (2007) SD BUS 350 4200 4400 4600 4800 5000 Consommation (moles) 5200 5400 Projet ANR PEPITE, Projet MYRTE Hydrogène électrolytique solaire pour le lissage de la production : Secours, écrêtage réseau Exemple d’architecture hybride GPV Vbus DC/DC MPPT DC/DC H2O DC/AC DC/DC électrolyseur PAC H2 H2O O2 Charge DC/DC batterie HELION Université de Corse CEA INES LAPLACE Travaux sur les piles à combustible menés au LAPLACE,. Quels potentiels et quelles perspectives en Midi-Pyrénées ? Applications fixes H2 et PàC S. ASTIER Professeur à l’INP de Toulouse LAPLACE, UMR INPT-UPS-CNRS N° 5213 S. ASTIER, Journée technique H2 26/09/2008 Applications fixes H2 et PàC Pour la production d’hydrogène : • À partir d’hydrocarbures fossiles ou renouvelables : reformage, séquestration • À partir de l’eau : thermocatalyses, électrolyses électricité et/ou chaleurs renouvelables ou nucléaires procédés optimisés, électrolyseurs Pour le stockage et le transport de l’hydrogène : gaz, liquide, hydrures, précurseurs chimiques, réservoirs et réseaux Pour l’exploitation de l’hydrogène : • Combustion • Production d’électricité, piles à combustibles, systèmes hybrides L’hydrogène : un vecteur majeur du futur dans un paysage de l’énergie renouvelé pour un développement durable ? Electricité Hydrocarbures Charbon Pétrole Gaz naturel Nucléaire HYDROGENE ENERGIE Séquestration CO2 Biomasse Court et moyen termes Pyrolyse Electrolyse Solaire Eolien Hydraulique Long terme Moteurs à Hydrogène ou Piles à combustible Electricité + H20 Systèmes autonomes Stockage d’électricité H2 + 1/2 02 Transformation réversible d’électricité en hydrogène énergie, deux vecteurs énergétiques aux propriétés complémentaires H20 + Electricité + Chaleur H2 + 1/2 02 I (A) Electrolyseur Energie Électrique (Solaire, …) Hydrogène énergie 0,5 Vecteur de flux 1 1,5 2 V (volt) Pile à combustible I (A) Vecteur de stock Les piles à combustible : un rôle prépondérant pour le développement des énergies renouvelables!? générateur photovoltaïque éolienne biomasse électrolyse réseau local stockage de l’électricité électricité stockage via un combustible de synthèse (H2...) PAC séquestration du carbone réserves fossiles et fissiles chaleur « locale » Thierry ALLEAU Thierry ALLEAU Hybridation ? Pourquoi faire? Optimiser le dimensionnement de la PAC. Protéger le cœur de PAC contre les variations rapides de charge. Compenser les limitations dynamiques des auxiliaires de la PAC (compresseur…). Permettre de compenser une défaillance passagère de la PAC (noyage, assèchement…). Compenser les limitations dynamiques de l’alimentation en hydrogène de la PAC (reformeur…). Satisfaire une éventuelle réversibilité en courant requise par l’application. L’hydrogène : un vecteur majeur du futur ? Nouveaux moteurs à hydrogène et Piles à combustible Séquestration du CO2 Electricité Nuclear power Electricité + H20 Stockage H2 + 1/2 02 Département PSI Procédés et Systèmes Industriels Equipe COOP- Catherine Azzaro-Pantel Exploitation: Hydrogène Fraction maximum d’hydrogène Maximisation pour différentes puissances transmises du réseau 1 1 Fraction d’hydrogène Mass fraction (%) 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 Pressions extrémités: 60 bar 0,2 0,2 0 1000 0 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Puissance transmise, kW Utilisation des réseaux actuels limitée à 6-8% d’hydrogène Exploitation: Hydrogène Présentation de l’exemple Caractéristiques des gazoducs Gazoduc G1 G2 G3 G4 G5 Diamètre (mm) 787 889 330 381 330 Longueur (km) 100 100 0.2 0.3 0.1 Gazoduc G6 G7 G8 G9 G10 Diamètre (mm) 330 330 330 381 330 Longueur (km) 200 100 200 100 100 Gazoduc G11 G12 G13 G14 G15 Diamètre (mm) 432 330 330 330 838 Longueur (km) 0.1 0.1 0.4 0.1 100 Composition du mélange de gaz transporté X kg d’H2 + (1-X) kg du GN 70 CH4 , 25 C2H6 , 05 C3H8 Schéma du réseau considéré 2 5 C1 G3 0 G1 3 C2 G4 G5 6 G7 G8 C3 4 14 7 C4 11 G12 G9 G6 1 100 km 8 G15 100 km 15 9 C5 G10 G11 12 G13 G14 C6 10 16 13 G2 100 km 17 Exemples de validations expérimentales (modèle circuit fort signal et modèle énergétique se comportent identiquement) : Monocellule PAC ELECTROCHEM de 10W : P gaz = 2bars, T = 65oC P Pgaz = 2bars, f=513mHz 0.95 0.9 = 2bars, T = 65oC 1 0.95 Expérimental Modèle gaz Expérimental Modèle 0.9 0.85 0.85 0.8 0.8 Expérimental Modèle 0.9 0.65 tension [V] tension [V] 0.7 0.75 0.7 0.65 0.7 0.6 0.6 0.6 0.55 0.55 0.5 0.5 0.5 0.45 0 2 4 6 8 10 12 14 0.45 16 0 2 4 6 8 10 12 14 0.4 16 0 2 4 courant [A] courant [A] P gaz 6 8 10 12 14 16 courant [A] = 2bars, T = 53oC 0.95 Expérimental Modèle 0.9 0.85 STACK 200W ELECTROCHEM: T[°C] 53 Rmem [m 4,1 0.8 tension [V] tension [V] 0.8 0.75 0.75 Activation 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0 2 4 6 8 10 12 courant [A] C. TURPIN, S. ASTIER, G. FONTES (2005) 14 16 18 20 0,34 I0*[A] 170 Cdc[mF] 190 Diffusion AL 0,34 GL 170 DAL[m2.s-1] 1,24.10-8 DGDL[m2.s-1] 10-6 Hybridation directe d’une PAC et supercondensateur : Idée: amplifier « par l’extérieur » les phénomènes de double couche électrochimique qui permettent de filtrer les demandes rapides de courant Puissance=f(t) x 10 8 La PAC et les SC partagent la même valeur de tension. 7 Charge Load SCV UC PAC Puissance (W) VSC= VFC FC 6 5 4 3 2 1 SC 0 La taille des SC fixe le temps de réponse de la PAC. -1 -2 0 50 100 150 200 250 Temps (s) 300 350 Exemple de simulation Auto gestion énergétique Pas besoin d’implémenter une boucle de gestion d’énergie Dimensionnement délicat Résultats expérimentaux RSC doit être très inférieure à Relec_PAC pour avoir un bon filtrage (pas toujours facile à obtenir en pratique) C. TURPIN, S. ASTIER, M. GARCIA (2007), R. SAISSET (2004) 400
