Mots-clés : Hydrogène, production d’hydrogène, électrolyse, système de stockage, Pile à combustible, PEMFC, SOFC, applications stationnaires, cœur de pile ; catalyseur, membrane, durabilité, architecture
Résumé :
H-PAC concerne la production propre d'hydrogène (électrolyse de l'eau à haute et basse températures), le stockage de l'hydrogène (gazeux à très haute pression, solide dans des solides innovants) et son utilisation dans les piles à combustible (principalement PEMFC).
Les applications visées concernent essentiellement le stationnaire, les marchés précoces et la gestion des ENR, sans négliger les applications embarquées préparant l’extension au domaine automobile dans la continuité des efforts entrepris au cours des programmes précédents.
Le programme se structure autour de trois axes :
• Axe 1 : production propre d'hydrogène
• Axe 2 : stockage de l’hydrogène
• Axe 3 : système pile
• Programme nouveau
• Années pour lesquelles le programme est prévu : 2009 - 2010 - 2011
• Type de programme : ouvert
• Dimension internationale du programme : Programme ouvert à l’international
• Relations avec des programmes antérieurs de l’ANR :
Ce programme fait suite au programme PAN-H (2005-2008). Prenant en compte les évolutions sur les plans national et international, le Comité Sectoriel Energie a proposé d’infléchir les orientations du programme, en mettant plus l’accent sur le développement de piles pour le stationnaire et les premiers marchés, et en renforçant les recherches sur les verrous technologiques (catalyseurs et membranes).
• Résultats des années antérieures (PAN-H)
Le programme PAN-H a fait l’objet de quatre AAP, de 2005 à 2008. Les données relatives aux projets de ces trois éditions sont présentées dans le tableau ci-dessous. Au total sur les 179 projets déposés pour une demande d’aide de 248 M€, 59 ont été financés en 2005, 2006, 2007, à hauteur de 72 M€, soit en moyenne 1,2 M€ par projet.
*état de la sélection au 27/10/08
Le Programme PAN-H a ainsi permis de structurer fortement la communauté française de l’hydrogène et des piles à combustible avec une interaction forte entre les laboratoires publics et les entreprises (GDE et PME). La dynamique mise en place doit se poursuivre par l’émergence d’une filière industrielle de production propre d’hydrogène, de fabrication et de déploiement des PACs pour différentes applications. Outre le véhicule électrique (matériels professionnels roulants, transports collectifs, flottes captives, véhicules particuliers, etc.) cela concerne la production stationnaire d’énergie (centrales électriques, production locale d’électricité et de chaleur, alimentation de secours, etc.), les Groupes Auxiliaires de Puissance (en avionique, dans l’automobile, les applications ferroviaires et maritimes, etc.), les systèmes électroniques portables (téléphones, micro-calculateurs, baladeurs, etc.), etc.
La diminution du coût des systèmes, l’amélioration des performances et l’augmentation de la durabilité passent par une meilleure compréhension du fonctionnement du cœur de pile et la recherche de nouveaux composants (catalyseurs des réactions, électrolytes polymères, oxydes céramiques, etc.) intervenant dans l’Assemblage Membrane-électrodes (AME).
Les laboratoires français dans le domaine des matériaux de cœur de piles, aussi bien à basse qu’à haute température, sont bien reconnus au niveau international. Cependant, il apparaît de plus en plus nécessaire de transférer les connaissances technologiques vers le secteur privé, notamment dans le domaine des hautes températures (SOFC, EHT). Il faut en même temps développer une recherche fondamentale multidisciplinaire au niveau des composants de cœur de pile, et une recherche industrielle et/ou pré-concurrentielle au niveau des systèmes complets.
1. Finalités visées, objectifs et résultats attendus
Objectifs et finalités :
Le programme H-PAC a pour objectif de déployer les technologies de développement de la pile à combustible en visant prioritairement les applications stationnaires (co-génération, groupes de secours, production électrique décentralisée, groupes auxiliaires de puissance, gestion des ENR, …), sans toutefois renoncer à continuer les travaux entrepris dans le domaine des applications embarquées et du transport. Ce programme se veut complémentaire et en articulation des actions menées en Europe dans le cadre de la Joint Technology Initiative (JTI) « Hydrogen & Fuel Cells ». Il mettra fortement l’accent sur la levée de verrous technologiques (nouveaux catalyseurs, membranes innovantes, matériaux pour SOFC à plus basse température,…) et sur l’appui aux applications à moyen terme de cette technologie.
Résultats attendus :
H-PAC vise à contribuer au développement d'une filière industrielle française des piles à combustible pour des applications stationnaires, à préparer le marché automobile à l’horizon 2020, et à faire émerger une filière française de production d’hydrogène. Trois types essentiels de solutions techniques sont attendus :
1/ mise en œuvre de matériaux innovants pour l’électrolyse, le stockage de l’hydrogène, la pile ;
2/ intégration et optimisation des composants et des systèmes dédiés aux différents types d’applications visées ;
3/ introduction de la filière hydrogène/pile dans la gestion de l’énergie électrique (cogénération, gestion des ENR et de la production décentralisée).
Impact espéré :
A moyen terme, le programme H-PAC pourrait contribuer à l’introduction de l’hydrogène dans le bouquet énergétique. L’hydrogène jouerait à la fois le rôle d’un vecteur d’énergie propre, voire d’un élément de stockage des énergies renouvelables intermittentes (éolien, photovoltaïque, etc.). A plus long terme (horizon 2020), la pile à combustible, après avoir montré son efficacité dans des systèmes stationnaires, de secours ou portables, pourrait prendre sa place à grande échelle dans les systèmes d’alimentation électrique des véhicules, marchés préparés par l’exploitation de flottes de véhicules professionnels.
2. Justifications du programme au titre des enjeux de société
Enjeux économiques
• Enjeux de consommation et par rapport aux consommateurs
Diminuer la consommation de combustibles fossiles, contribuer au facteur 4 de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
• Enjeux de production et par rapport aux producteurs
Créer une filière industrielle française des piles à combustible, de production et de stockage d’hydrogène.
• Enjeux de productivité, de compétitivité, de position par rapport à l’exportation, par rapport à l’avance technique, par rapport à l’évolution des normes
Dans le contexte actuel, le couplage hydrogène/pile à combustible affiche un réel potentiel permettant :
− d’améliorer l’efficacité énergétique, notamment dans la gestion des ENR ;
− de réaliser des véhicules efficaces (en termes de rendement énergétique, d’autonomie et de coût d’utilisation), non polluants et silencieux.
Les choix qui ont été faits en France dans le domaine de l'énergie avec la prédominance du nucléaire comme source d'électricité placent notre pays dans une position forte et idéale vis-à-vis de la production d'hydrogène sans émission de gaz à effet de serre (GES).
•
Enjeux économiques à caractère géographique
Enjeu stratégique mondial pour diminuer les émissions de GES et remplacer une consommation énergétique basée sur les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) par un bouquet énergétique où l’hydrogène jouerait un rôle important.
Enjeux sociaux
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Enjeux relatifs à l’emploi
Des dizaines de milliers d’emplois sont à pérenniser et à créer dans la filière automobile qui doit garder sa compétitivité vis-à-vis des grands groupes mondiaux (Honda, Daimler, GM,
• Enjeux en termes de bien-être social
La substitution de moteurs électriques aux systèmes utilisant des carburants fossiles apporte un bien-être social évident en réduisant les pollutions chimiques, sonores, etc.
• Enjeux en termes de sécurité
La sécurité hydrogène est un sujet technologique important :
au niveau de la production propre d’hydrogène, surtout dans la mesure où elle pourrait se faire par électrolyse de l’eau à haute température et avec couplage à un réacteur nucléaire de 3ème ou 4ème génération,
au niveau du stockage embarqué à haute ou basse pression qui nécessite de rentrer dans le cahier des charges des crash-tests automobiles.
Enjeux écologiques et environnementaux
• Ressources naturelles, pollution
Devant la raréfaction des ressources d’énergie fossile et la pollution, il est nécessaire de repenser la consommation énergétique. Il faut notamment encourager toutes les solutions économiques et développer de nouvelles filières de production. Par exemple, au niveau des véhicules automobiles, la solution hybride (essence/électrique) permet de réduire la consommation de carburant et donc les émissions de polluants (CO, NOx, SOx, ..) et de gaz à effet de serre (CO2). De même, on pourrait envisager d’exploiter de manière plus intensive les procédés alternatifs de production de l’énergie (éoliennes, photovoltaïque, énergie des vagues, …). Le développement de toutes ces solutions requière la mise au point de systèmes tampons permettant de convertir/stocker l’énergie et de la restituer en fonction de la demande. La production et le stockage efficaces de l’hydrogène, puis la conversion en électricité dans la PAC sont donc des enjeux importants dans la lutte entreprise contre les gaspillages énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre.
• Risques industriels
Le stockage et la distribution de l’hydrogène constituent des éléments de risques importants, comme pour toute technologie nouvelle, notamment dans le domaine de l’énergie.
Ces éléments ont fait l’objet de financement dans le cadre du précédent programme PAN-H et sont également couverts par des recherches au niveau européen (FP7).
3. Justifications au titre des stratégies de recherche scientifique et technique
Axes et thèmes des recherches
• Axe 1 : production propre d'hydrogène
- électrolyse de l’eau à haute température à membrane céramique pour la production centralisée d’hydrogène à bas coût (synergie avec les recherches actuelles sur les matériaux des cœurs de piles à combustible céramiques SOFC) ;
- électrolyse à basse température et haute pression à membrane polymère pour la production décentralisée d’hydrogène, permettant des options de couplage avec les énergies renouvelables dans les sites isolés ; la recherche de rupture sur les matériaux (membranes, catalyseurs, collecteurs) sera une priorité pour améliorer la performance et la durabilité des électrolyseurs ;
- photoproduction directe d’hydrogène, par photocatalyse, pour viser un rendement supérieur à la conversion successive solaire – électricité (PV) puis électricité – hydrogène (électrolyse).
La production de bio-hydrogène par organismes vivants est couverte par le programme Bioénergies.
• Axe 2 : stockage de l’hydrogène
- les matériaux pour réservoirs, les composants et le système complet, notamment en vue du stockage à haute pression, avec un objectif clair de réduction significative des coûts ;
- les matériaux innovants pour le stockage « solide » de l’hydrogène ;
- le stockage de l’hydrogène dans des réservoirs de grande taille (cavités naturelles notamment) lié à la gestion des réseaux électriques.
• Axe 3 : système pile
Les piles à basse température, notamment à membrane échangeuse de protons (PEMFC) restent la cible prioritaire du programme. En attendant le marché de masse pour l’application automobile (en 2020), à plus court-terme, les actions doivent porter plus particulièrement sur :
- la compréhension des mécanismes multi-physiques et multi-échelles couplés qui régissent les performances des piles et électrolyseurs basse température, par une approche conjointe de modélisation et d’expérimentation (propriétés à l’échelle nanométrique conférant l’efficacité, la stabilité et la sélectivité des catalyseurs, impact du substrat carboné, propriétés des membranes en terme de transport d’eau et de mécanique, propriétés de la couche mince d’électrolyte présente dans l’électrode, nanofluidique dans des matériaux nanoporeux, fluidique diphasique dans des couches minces poreuses anisotropes, (phénomènes couplés de dégradation…) ;
- la recherche de rupture au niveau des composants du cœur de pile PEMFC (nouveaux catalyseurs, membranes innovantes) pour améliorer les performances, en particulier la durée de vie de la pile, en réduire le coût pour les premiers marchés et rendre la technologie à long terme compatible avec les ressources naturelles de métaux précieux (notamment le platine) ;
- le développement de prototypes de piles s’adressant à des marchés spécialisés plus
pour les centrales électriques à haut rendement. Des recherches sur des composants de cœur de piles (céramique, catalyseurs) sont essentielles pour améliorer les performances et augmenter la durabilité, mais aussi sur le système qu’il convient d’optimiser en fonction de l'utilisation.
Positionnement scientifique et technologique
• Enjeux scientifiques et technologiques du programme
Les laboratoires français dans le domaine des matériaux de cœur de piles, aussi bien à basse qu’à haute température, sont bien reconnus au niveau international. Cependant, il apparaît de plus en plus nécessaire de transférer les connaissances technologiques vers le privé, et/ou de soutenir le développement de start-up issues de la recherche publique. Ceci est particulièrement vrai dans le domaine des SOFC où il n’y a pas d’ensemblier.
• Type de recherche
Il faut en même temps développer une recherche fondamentale multidisciplinaire sur des composants de cœur de pile et du stockage d’hydrogène sur solides (en cherchant à valider ses résultats sur des composants à une échelle représentative des applications visées,) et une recherche industrielle et/ou pré-concurrentielle sur les systèmes complets.
Le soutien à des opérations de démonstration n’est pas inclus dans le programme H-PAC et relève d’autres types de financements (fond de démonstration Grenelle, FUI, etc.).
Positionnement par rapport au partenariat
• Participation au financement du programme Financement ANR seul.
• Type de partenariat de recherche
Essentiellement public / privé avec possibilité de projets de recherche fondamentale portés par des laboratoires publics.
Positionnement international
• Positionnement du programme par rapport à d’autres programmes en Europe ou dans le monde
Les budgets publics alloués aux programmes « Hydrogène & Piles à Combustible » sont très importants à l’échelle mondiale : 550 M€ aux USA en 2007, 420 M€ au Japon en 2006 (le Japon a un programme de 28 ans jusqu’en 2020 avec un financement public de 2,4 G€), 940 M€
pour la JTI (2008-2013), en Allemagne 500 M€ pour la R&D au niveau fédéral et 1 G€ pour les infrastructures sur 10 ans (2006 à 2015). Grâce aux programmes PACo, puis au programme PAN-H, la France est devenue l’un des principaux acteurs en Europe sur l’hydrogène, cependant derrière l’Allemagne, et surtout axé sur la R&D relativement amont avec peu d’orientation vers la démonstration et le déploiement technologique. La France occupe également une position importante (en nombres d’équipes de recherche publiques et privées et en investissement) au sein de l’Europe. Elle siège au conseil d’administration du JTI
« Hydrogen » et y préside son groupe de recherche « Hydrogen and Fuel Cells ».
• Caractère international du programme
Les AAP 2007 et 2008 de PAN-H ont été ouverts à une collaboration avec l’Allemagne (BMWi), avec relativement peu de succès. Un retour d’expérience doit être conduit pour examiner les suites à donner à ce type de coopération, notamment par rapport aux actions menées dans le cadre du JTI.