FILIERE HYDROGENE

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FILIÈRE HYDROGÈNE
Philippe LABBE - CEA
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Filière Hydrogène Nouvelles Technologies pour
lEnergie Résidentiel, Tertiaire, Transport,
objets communicants
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Pourquoi lhydrogène ?

• Optimisme excessif
• Combustible propre
• Performant, universel
• Emploi à généraliser
• Pessimisme exagéré
• Nexiste pas à létat naturel ? production
  énergétivore
• Naméliore pas le bilan environnemental
• Complique les systèmes qui lutilisent

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(No Transcript)
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• Deux faits
• Les besoins mondiaux en énergie auront doublé en
  2050 dont 60 seront couverts par les énergies
  fossiles (85 aujourdhui) le complément sera
  fourni par les énergies renouvelables et le
  nucléaire
• () niveau actuel 370 ppm

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• Deux faits (suite)
• En 2050, les émissions de CO2 dépasseront le
  seuil de 550 ppm () au-delà duquel la
  température de lair atteindra des valeurs
  inacceptables
• () niveau actuel 370 ppm

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• Comment faire ?
• Transformer le combustible fossile pour en
  extraire les atomes de carbone
• Puis sequestrer le CO2 dans des réservoirs
  géologiques
• Du reliquat de la transformation ( reformage )
  ? gaz de synthèse ? hydrogène pur, nouveau
  vecteur dénergie

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• Autre intérêt de lhydrogène
• Valorisation dautres formes dénergie primaire.
  2 types
• Celles qui fournissent directement de
  lélectricité (photovoltaïque, éolien,géothermie)
• Celles qui fournissent de lhydrogène directement
  (thermochimie) ou indirectement (transformation
  de la biomasse)

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• Lhydrogène des qualités évidentes
• Atomes (sous forme deau) sont très abondants
• Molécule très énergétique 120 MJ/kg (plus de 2
  fois le gaz naturel)
• Contenu énergétique 40 kWh/kg (charbon 8kWh/kg)
• Ni polluant, ni toxique

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• Lhydrogène des qualités évidentes
• la combustion dans lair ne donne que de leau
• le plus léger des gaz pour la sécurité
  (grande vitesse de diffusion dans lair)
• le transport par pipes et le stockage sont
  envisageables
• cest le combustible idéal des piles à
  combustibles

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• Une acceptation non acquise
• Densité énergétique moins favorable pour le
  transport et le stockage gazeux que pour le gaz
  naturel (facteur 4 à 200 bars)
• Limites dinflammabilité et de détonation avec
  lair plus larges que pour le gaz naturel
  (facteur 5)
• La combustion à haute température, en présence
  dair, genère des oxydes dazote
• Considéré par le public comme gaz dangereux

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• De grands programmes de RD en cours
• Quasi unanimité des scientifiques, des
  industriels et des politiques
• En France programme de lANR,
• Le Plan dAction National Hydrogène
• En Europe les PCRDT, la plate-forme hydrogène
  et pile à combustible européenne
• Etats-Unis, Japon, Canada,

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• De grands programmes de RD en cours (suite)
• Des verrous subsistent mais confiance en la
  recherche
• Partout des grands programmes de recherche et de
  démonstration
• soit verticaux de la production à lutilisation
  de lhydrogène
• soit transversaux la sécurité, la sûreté, les
  normes et réglementations, la formation et les
  impacts socioculturels

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De lhydrogène chimique à lhydrogène énergétique

• Aujourdhui utilisation industrielle pour ses
  propriétés chimiques
• ammoniac,
• désulfuration de lessence et du pétrole
• production du méthanol
• Une fraction pour la soudure, les
  semi-conducteurs
• Très peu utilisé pour ses capacités énergétiques
  sauf pour la propulsion des lanceurs spatiaux
• Production mondiale 550 milliards de Nm3 soit
  130 Mtep, soit 1,5 de la production mondiale
  dénergie primaire.

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De lhydrogène chimique à lhydrogène énergétique

• Aujourdhui le coût de la filière énergétique
  reste dissuasif (chaîne complète depuis la
  production jusquau véhicule équipé dune pile à
  combustible
• Mais consensus large
• Premières applications
• véhicules de flottes captives () ? 2010-2020
• Stationnaire production dénergie ? 2010-2015
• Appareils portables ? 2010
• () véhicules particuliers 2020/2030

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De lhydrogène chimique à lhydrogène énergétique
(suite)

• La feuille de route européenne le programme
  HyWays
• ? Évaluation des besoins en énergie, des
  émissions et des coûts
• Les études américaines (avec DOE)
• ? Coûts des filières Hydrogène pour les véhicules
• Prise en compte du prix de lénergie
• Principal problème faire évoluer les
  techniques de production de masse actuelle
  de bas coût mais fondées sur les
  énergies fossiles et génératrices de
  GES vers des techniques répondant aux
  critère du développement durable et de
  coût acceptable

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De lhydrogène chimique à lhydrogène énergétique
(suite)
Coût de production et coûts finals de lhydrogène
selon divers procédés comparés à ceux de lessence
() comprend stockage, transport et distribution
Source CEA-IFP-TOTAL
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Production de lhydrogène

• Méthodes actuelles ou à court terme
• le reformage (charbon et gaz naturel) 1/kg
• La biomasse (bois, cellulose) gt2/kg
• Lélectrolyse basse température gt3/kg

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Production de lhydrogène (suite)

• Méthodes à moyen terme
• Lhydrogène solaire (cellules photovolt.
  électrolyse)
• Lélectrolyse haute température ou la
  dissociation thermique 900C (Centrales
  nucléaires de 4ème génération)
• Méthode à long terme les organismes vivants
• La biophotolyse algues ou bactéries  cassent 
  les molécules deau

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(No Transcript)
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Distribution de lhydrogène

• des programmes de démonstration
• (poussée des constructeurs automobiles)
• définir les normes de qualité (pureté )
• technologies clés (transport,remplissage etc.)
• normes des stations service
• réseaux
• un nouveau statut réglementaire
• pour garantir la sécurité des usagers
• programme européen NATURALHY

IP NATURALHY ( FP 6 )
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(No Transcript)
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Stockage embarqué de lhydrogène

• Les 3 difficultés
• un mode de stockage généralisé
• fiabilité, facilité dutilisation véhicules
  actuels
• même autonomie quaujourdhui
• Or, ce sont les objectifs de place disponible,
  dencombrement, de coûts souhaitables et de poids
  accordés qui sont prioritaires

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Stockage embarqué de lhydrogène

• 3 filières principales
• le stockage liquide basse température -253C 5
  bars
• Le stockage gazeux sous pression
• Le stockage sous forme solide (recherche amont)
• Hydrure
• Nanostructures de carbone

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Stockage embarqué de lhydrogène
Cahier des Charges du stockage gazeux
Embarquer 5 kg dhydrogène pour faire 500 km
?
? 22g/l à 350 bars ? 44g/l à 700 bars
Points durs pour le stockage hyperbare

• capacité volumique de stockage (gaz)
• taux de fuite (liner thermoplastique)
• coût (composite avec fibre de carbone)

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Stockage embarqué de lhydrogène
Des performances à améliorer Pour 5 kg
dhydrogène, il faut pour un réservoir ()
() selon la progression établie par le DOE ()
1g/kg H² stocké/heure
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Les piles a combustible
Grove

• Principe de la pile
• Production directe délectricité par conversion
  énergie chimique
• Réaction doxydo-réduction au sein de la cellule
  électrochimique élémentaire
• Deux électrodes séparées par n électrolyte ions
  H. Catalyseurs pour activer les réactions
• anode H2 ? 2 H 2e-
• cathode 2H1/2O22e- ? H2O
• tension théorique 1,23 volt, en pratique O,6 volt
  soit ? 50 (0,8A/cm2)
• dégagement de chaleur

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Fonctionnement
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Fonctionnement
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Les piles a combustible
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Les piles a combustible

• Mise en uvre complexe et onéreuse
• Les difficultés
• Les performances sont faibles
• Les coûts sont élevés
• Les différentes filières de pile
• Basse température PEMFC, variantes à méthanol
  DMFC ou éthanol direct DEFC
• Pile à acide phosphorique PAFC ou la pile
  alcaline AFC
• Les piles à haute température pile à carbonate
  fondu MCFC ou à oxyde solide SOFC
• Les différences la température de
  fonctionnement, lélectrolyte, la nature des
  combustibles

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Les piles a combustible

• A quoi sert une pile à combustible ?
• Rendements de conversion intéressants
• Grande discrétion acoustique
• Faible émission de polluants
• GES à considérer sur lensemble du cycle de
  lhydrogène  du puits à la roue 

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Les piles a combustible

• Les utilisations
• Gémini Apollo navettes spatiales
• Stationnaire ( cogénération)
• Applications transport, unité de puissance
  auxilliaire
• Objets nomades et communicants

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Les piles a combustible

• Les obstacles à vaincre
• Densité de puissance à ? (?10 depuis 1960)
• Coût à ? ?
• Coût dune pile aujourdhui 6 000 /kW
• Exigences du marché
• Stationnaire 1 500 /kW
• Transport en commun 150 /kW
• Véhicule individuel 50 kW

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Les piles a combustible (suite)

• Les obstacles à vaincre augmentation des
  performances
• Durée de vie, robustesse, fiabilité
• Matériaux, physique des systèmes,
• Démonstration de la sûreté de systèmes Pile à
  combustible
• Démonstrations technologiques et définition de
  normes et réglementations

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Source  Stratégie de déploiement 
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La filière hydrogène en région Centre

• Une recherche régionale récente, peu dense et
  hétérogène,
• MAIS
• Une prise de conscience partagée
• Une volonté régionale
• Une industrie en émergence, 2 domaines
  remarquables
• Des projets

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La filière hydrogène en région Centre

• Le laboratoires publics impliqués
• CEA Le Ripault
• production, stockage, PAC, distribution,
  capteurs 35
• GREMI
• production, composants pour PAC 5
• LCSR CNRS
• production, combustion, sécurité,
  environnement 5
• CRMD UMR
• stockage 2
• BRGM
• production 2
• LEMA UMR CNRS/CEA
• Matériaux pour PAC 2
• LEES/ ENSIB
• Sécurité 2

Nb chercheurs région en équivalent temps plein
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La filière hydrogène en région Centre

• Quelques entreprises régionales impliquées
  aujourdhui
• Dalkia France Cogénération par PAC haute
  température
• ULLIT Stockage gazeux H²
• AFT Composants de PAC basse tempétature
• RAIGI Stockage gazeux
• AINELEC Conversion de puissance
• STMicroelectronicsMicropile
• EDF Démonstration cogénération PAC basse
  température

• PICA Stockage solide H²

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Financements de la filière H²

• La communauté européenne
• Agence Nationale pour la Recherche
• 1/ Santé, agriculture et alimentation 101
• 2/ Énergie et développement durable 42
• Plan dAction National H² PANH
• Pôles de compétitivité
• 3/ Nanoscience et nanotechnologie 64
• ADEME, Oseo-Anvar
• A2I pour projets très industriels à 50 M
• Ministères dotation aux organismes
• Les Régions et Collectivités projets structurés
  
• Les Industriels ? retour sur investissement
  lointain
• grands groupes
• PME

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Perspectives

• NOTA EFFET STRUCTURANT DES DEMONSTRATEURS
• Accroître le nombre dacteurs impliqués dans la
  filière HYDROGENE
• - labos,
• entreprises,
• formateurs, étudiants.
• PROJETS REGIONAUX ACTUELS
• Cogénérateur GECOPAC (en cours)

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PROJET GECOPAC
Formation
Recherche
FINANCEMENT Région Centre CEA DALKIA
France Snecma Moteurs ADEME
Puissance Gecopac 5 kWé Coût du projet 9
M Objectif de la filière à terme 250 kW
Développement
Ainélec NGhy
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Perspectives

• NOTA EFFET STRUCTURANT DES DEMONSTRATEURS
• Accroître le nombre dacteurs impliqués dans la
  filière HYDROGENE
• - labos,
• entreprises,
• formateurs, étudiants.
• PROJETS REGIONAUX ACTUELS
• Cogénérateur GECOPAC (en cours)
• GECOPAC 2 Cogénérateur par PAC à hte température
  ? 100 kW
• MICONOS .. Micropile pour appareil nomade
• Blue PAC Filière pile basse température pour
  bateau
• . Plateau technique H² recherche industrie
• PASSERELLES AVEC LES AUTRES REGIONS

Pôle SSEE (projets en validation)