Jean-Claude GRENIER Directeur de Recherches - CNRS

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1 Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux ICMCB - CNRS Université de BORDEAUX Jean-Claude GRENIER Directeur de Recherches - CNRS 1

2 Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux Chimie du solide Science des matériaux Sciences moléculaires UPR CNRS groupes de recherche 3 centres de ressources 20 services collectifs 236 personnes 116 permanents 120 non permanents 31 Chercheurs CNRS (16 DR, 15 CR) 2 Chercheurs CEA (1 DR, 1 CR) 32 Enseignants-Chercheurs (11 PR, 21 MCF) 47 ITA (dont 10 IR et 8 IE) 4 IATOS (dont 1 IR et 1 IE) 60 Doctorants 15 Post-docs 15 CDD (Ingénieurs, Techniciens) 30 Chercheurs Etrangers Invités, Stagiaires Master... 2

3 ICMCB-CNRS Secteurs économiques Les matériaux pour l énergie (piles à combustible, thermoélectricité, stockage de l hydrogène, batteries au lithium) Les matériaux pour la communication (Visualisation, stockage et détection optique et magnétique de l information, électronique) Les matériaux et la couleur (luminophores) La protection de l environnement (traitement des déchets par oxydation hydrothermale, stockage du CO 2, catalyseurs de dépollution automobile) Les matériaux et le vivant (biomatériaux, imagerie médicale, vectorisation des médicaments) Partenariats avec des industries et des organismes nationaux et internationaux du domaine de la chimie, électrochimie, électronique, aéronautique, spatial, automobile, etc. Ex : CEA-CESTA, SAFT, Elf-Aquitaine, EADS, Alcatel, Kodak, Renault, Rhodia, SNECMA, DGA, LURE, CNES, CNES, NASA, Dassault Aviation, etc. 3

4 Des énergies fossiles aux énergies renouvelables: la place de l hydrogène dans le futur mix énergétique 4

5 Emissions de CO2 GES (Gaz à Effet de Serre)? Evolution de la température moyenne de la terre. 5

6 Consommation mondiale d'énergie primaire 82 % Fossile; 11 % Renouvelable; 7 % Nucléaire Charbon Hydroélectrique Nucléaire Gaz naturel Pétrole 6

7 Consommation mondiale d électricité Asie USA-CA CE CE Monde USA-CA Asie World Annual Evolution of Electrical Consumption (Billion Wh) La consommation électrique croît très rapidement en Asie (Chine, Corée du Sud, Inde) // reste au monde. World Rate Annual Consumption of Renewable Electricity (2) La part des énergies renouvelables < 20 % 7

8 Essor technologique XIXème siècle è accroissement de la demande en énergie 8

9 Les énergies fossiles? 9

10 Des réserves: pour combien de temps? Ere biomasse Grecs Romains Moyen-Age 0 Ere fossile ?? JC URGENT de trouver des solutions! 10

11 Les objectifs Limiter les émissions de gaz à effet de serre (protocole de Kyoto 1997, entrée en vigueur en 2005) Objectifs de L Union Européenne pour 2020: règle des «trois fois 20» - diminuer la consommation d énergie de 20%, - réduire les émissions de CO 2 de 20% - atteindre une part d énergies renouvelables dans la fourniture d énergie primaire de 20%. 11

12 Les énergies renouvelables Energie solaire Panneaux photovoltaïques è produc:on d électricité Capteurs solaires è produc:on de chaleur L énergie éolienne énergie issue de la force du vent è produc:on d électricité La biomasse : énergie issue de l ensemble de la ma:ère végétale (bois, paille, blé, colza. ) è biogaz, biocarburants La géothermie énergie qui u:lise la température du sol L énergie hydraulique énergie issue de la force motrice de l eau (barrages, marée motrice) è produc:on d électricité 12

13 13 Production d électricité dans le monde en 2010 Géothermie Eolien, Biomasse Hydroélectrique Fossile Nucléaire Part des énergies renouvelables (hors hydroélectrique) = faible

14 Energies renouvelables : quel scénario pour demain? part des EnR: 2010: 9.5 % è 2020: è 20 % (? 23 %) Problème: énergies intermittentes, aléas du climat.. è Comment stocker cette énergie la restituer à la demande, apporter de la flexibilité et renforcer la fiabilité des systèmes énergétiques Un enjeu technologique clé avec des verrous technologiques importants aussi bien pour le stockage stationnaire à grande échelle que pour les applications nomades ou les transports 14

15 Energies renouvelables: quel scénario pour demain? e - Economie de l'électron STEP, Stockage électrochimique, CAES. Energie provenant de sources renouvelables ou nucléaire Solaire, Éolien, Géothermie, Nucléaire e - Electrolyse H 2 Economie de l'hydrogène Stockage chimique H 2 e - Electricité au consommateur e - PACs 15

16 Le stockage de l énergie: STEP Stations de transfert d énergie par pompage Electricité temporairement stockée sous forme d énergie potentielle. (qques MW/ques GW; rdt ) Barrage du Verney Actuellement six grandes STEP en activité en France, produisant une puissance installée d environ 5 Gwatts (5 GW), Difficile d augmenter le nombre! 16

17 Stockage électrochimique?

18 Stockage électrochimique Système Li-ion Qques kw / qques 100 kw 0,70 0,75 18

19 CAES Stockage par air comprimé MW Rdt 0,5 19

20 Stockage thermique Stockage thermique par chaleur sensible Centrale thermodynamique Stockage thermochimique couplé à un système solaire thermique 20

21 Stockage chimique L hydrogène H 2 vecteur d energie de demain? 21

22 PILES à COMBUSTIBLE «Je pense qu un jour, l hydrogène et l oxygène seront les sources inépuisables fournissant chaleur et lumière» Jules Verne, l Ile Mystérieuse, 1874

23 1839 : expérience de Grove I cannot but regard the experiment as an important one. William Grove writing to Michael Faraday, October 1842 W. R. Grove, Philos S3, (14) 86, 127 (1839). 23

24 La Solution Hydrogène H 2 Qualités : L hydrogène = vecteur énergévque Défauts : J Non polluant, non toxique J Pas de produc:on de gaz à effet de serre J Densité d énergie massique 2,4 à 2,7 fois plus élevée que celle des combus:bles courants : 33,3 kwh/ kg J Plusieurs voies d utilisation Rdt : piles à combustible >> combustion, L Réglementa:on et Sûreté du stockage è à améliorer L Densité d énergie volumique faible (4 fois moins que le gaz naturel) : 3 kwh/nm 3 L Stockage: verrous technologiques L Coût de production sans CO 2 élevé et stockage à améliorer 24

25 Hydrogène: la configuration idéale. H2O H2O Cycle : H2O / H2 / électricité / H2O Source: International Association for Hydrogen Energy 25

26 La pile à combustible et électrolyseurs? 26 26

27 La pile à combustible Hydrogène Anode (+) Oxygène (air) Cathode (-) Système inverse = Pile à électrolyseur combustible H 2 O H 2 + 1/2 O 2 Electricité Eau + Chaleur Processus d oxydoréduction aux électrodes Réaction bilan : H 2 + ½ O 2 è H 2 O ΔG 0 < 0 Convertisseur énergie chimique è énergie électrique è + chaleur A la différence d une batterie qui stocke sa propre énergie, Une PAC ne contient pas d énergie : elle est alimentée par une source extérieure en combustible. 27

28 Principe du fonctionnement d une PAC 28

29 Chronologie des applications récentes des piles à combustible Automobile Bus Production stationnaire d électricité Submersible (production d eau et d électricité pour l équipage) Aérospatiale (production d électricité et d eau pour l équipage) Commer- cialisavon 2010

30 Avantages des piles à combustible Avantages Rejets propres: si utilisation H 2 pur è pas rejet d oxydes de soufre ni particules Si H 2 obtenu à partir du gaz naturel : rejets de - 6 mg de CO par m 3 (17 fois moins que la réglementation) - 2 mg de NO x par m 3 (75 fois moins que la règlementation) Économies d énergie Courant électrique continu généré avec des rendements élevés è Rendement électrique actuel 45 % è 70% lors du couplage d une pile haute-température avec une turbine à gaz è Rendement total (électrique + thermique) 80% (à comparer à % pour une centrale thermique) Limitation des nuisances sonores Pas de bruit généré par le processus électrochimique, seuls les systèmes auxiliaires émettent un faible bruit Systèmes réversibles è interchangeabilité 30

31 Interchangeabilité et complémentarité Electricité et l hydrogène Electricité e - Sources: PV, éolien, nucléaire électrolyseur pile à combustible Réseau Consommateurs Hydrogène H 2 «Smart grids» 31

32 Stockage hydrogène Stockage sous pression 300 bars è 700 bars Stockage dans des éponges métalliques (base Mg) 32

33 Projet Myrte en Corse Projet «grandeur nature», centrale photovoltaïque (Pinstallée 560 KWc sur m²) è chaîne hydrogène (moyen de Stockage) Centrale de Vignola, Ajaccio 1 kw-10 MW Rdt 0,25 0,35 33

34 H2 & Piles à combustible: applications en 2013 MCFC Aéronautique Spacial APU CHP Bio-fuel cells AFC Portable 1W Stationnaire SOFC PEMFC Transport Mini - FC 1mW 0.1 W PAFC 10 W 100W 1 kw 10 kw 100kW 34 1MW 34

35 Les piles à combustible Actualité récente Première voiture de course fonctionnant avec une PAC aux 24h du Mans 2013 SymbioFCell (société française CEA/PSA) a développé cette pile Green GT H2 400 kw de puissance ( 554 chevaux) PEMFC 18 stacks de 20 kw T < 80 C 35

36 Mix énergétique Stockage H2 Batteries Energie solaire Piles à Combustible Véhicules Electriques /Hybrides Li-ion Ni-MH, Li-ion Distribution H2 Smart grid Electrolyse Reformage Energies Primaires PHOTOVOLTAIQUE HYDROELECTRIQUE EOLIEN 235U FOSSILES BIOMASSE NUCLEAIRE 36

37 37 Conclusion Fin des Energies fossiles à relativement court terme Energies renouvelables devront prendre le relai, Mais défis technologiques à résoudre comment stocker l énergie efficacement? avant d abandonner l énergie nucléaire

38 38

39 Quelques données: électricité En 2012: consommation: 490 TWh production: 540 TWh; puissance installée 1865 MW Parc nucléaire: 58 unités de production, sur 19 sites. Production en moyenne 410 milliards de kwh/an (405 TWh/an) è 75 % électricité française Les parcs éolien et photovoltaïque atteignent respectivement et MW Hydroélectrique: EDF, 1er producteur de l Union Européenne, > MW installé, 437 unités Part des EnR: record en 2012, 16.4 % Produc:on française en énergie primaire par nature de source 39

40 Principe de fonctionnement d une PAC Cellule Elémentaire e - e - e - e - CombusVble H 2 Interconnecteur H 2 anode H + électrolyte H + e - cathode O 2 Interconnecteur Comburant O 2 RéacVon anodique H 2 D 2 H e - H 2 O Eau RéacVon cathodique O H e - D 2 H 2 O RéacVon d oxydavon du combusvble RéacVon totale: 2 H 2 + O H 2 O + E elec + Q RéacVon de réducvon d oxygène

41 Défis pour l application transport Durée de vie > 5000 h en 2011 Coût du stack de 30 $/kwe net sur une projection de unités!!! Démarrage possible à -30 C avec 50 % de la puissance en 30 s. Une densité volumétrique de puissance de 2500 W net/l Aujourd hui, le prix d un véhicule PAC est 8-10 fois celui d un véhicule thermique. Le prix des plaques bipolaires, des électrodes (Pt) et de la main d oeuvre atteint 60 % du système PAC

42 PEMFC - des PAC très prometteuses Premières PAC développées pour l espace (Gemini et Apollo ) Large gamme de puissance nombreuses applications (portable, transport, stationnaire) Nombreux prototypes en fonctionnement Matériaux connus mais à optimiser.. Portable Stationnaire Transport 1 W 100 W 1 kw 100 kw Toshiba Ballard (CA) PSA 207 Epure Fujitsu Ltd (2004) Bus (Ballard) London Dalkia building power supply Necar (Mercedes-Benz) 42

43 Les divers types de Piles à Combustible: caractéristiques Température Type Electrolyte CombusVble 800 C SOFC T Electrolytes céramiques YSZ, ZrO 2 : ion O 2- Hydrogène Biomasse Méthanol Gaz naturel 650 C MCFC Electrolyte Liquide: carbonates fondud Li 2 CO 3, KCO 3 : ion CO 3 2- Hydrogène Biomasse Gaz Naturel 220 C PAFC T Electrolyte liquide H 3 PO 4 : ion H + Hydrogène (CO < 1%) Méthanol Gaz Naturel 80 C 20 C PEMFC DMFC AFC Electrolyte membrane polymère: ion H + Electrolyte membrane polymère : ion H + Electrolyte liquide KOH : ion OH - Hydrogène (CO < 10 ppm) Methanol Hydrogène 43