LES PILES A COMBUSTIBLES

LES PILES A COMBUSTIBLES

Générateurs d’électricité et chaudières du 21ème siècle ?

Jean Jacques BEZIAN Ingénieur de recherche, HDR

Plan de la présentation

• Introduction

• Principes généraux de fonctionnement

• Types de piles

• Applications transport

• Applications stationnaires

• Acteurs du domaine

• Conclusions

• Sites utiles

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)

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

LA PILE A COMBUSTIBLE

PRINCIPES GENERAUX

• Schéma d’une pile H₂/O₂(air)

H₂O, vapeur et liquide, H₂ H2

e^- e^-

Charge

Cathode Anode

Electrolyte

H2O

H₃O⁺

O₂, N₂

O₂, N₂

H₂O, vapeur et liquide

Détails techniques

La première pile européenne

Plaques de soutien Système d'humidification

Plaques bipolaires refroidies Plaques bipolaires non refroidies

EMA

Piles commercialisées

• Ballard Mark 1020 ACS, de 300 W à 5 kW

Systèmes complets

• Du combustible (GN, H₂, …) à l’électricité

• 5 kW Axane

LA PILE A COMBUSTIBLE

Caractéristiques générales

• 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

Puissance et efficacité d’une pile

• Selon la courbe courant tension, choix d’un point de fonctionnement nominal

TYPES DE PILES

AFC

• 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

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

TYPES DE PILES - PEMFC

• 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

Les PEMFC

• Principaux fabricants : Nuvera (DNP Italie), Ballard (Canada)

PEMFC BALLARD

• Premier fabricant au monde (600 personnes)

• Toutes cibles (transport, secours, portables…)

TYPES DE PILES - PAFC

• 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

• 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

TYPES DE PILES - MCFC

TYPES DE PILES - SOFC

• 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

Première SOFC « commerciale »

• Sulzer (CH) 1 kW ; 30 % efficacité

SOFC - Siemens Westinghouse

220 kW GT-FC hybrid system

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

Synthèse

• Typologie des différentes piles à combustible

Applications automobiles

• Voiture électrique à autonomie > 400 km

• Projets constructeurs, prototypes

• Piles PEM : 30 kW, combustible embarqué

• Pile = production d’électricité à bord

Rendements aux roues

• A partir des carburants bruts

Pb de la mise à disposition d’hydrogène

Quel combustible pour le transport automobile ?

• Piles « froides » : inertie thermique

• Combustible = hydrogène

• Autonomie = moteurs thermiques > 500 km

• Temps de recharge : quelques minutes

• Comment stocker l’hydrogène à bord ?

– Liquide (- 250 °C)

– Sous pression (>500 bars) – Nanostructures de carbone

– Dans un composé chimique (NH , C H )

Stockage d’hydrogène

• Contraintes réglementaires et craintes sociales (effet Zeppelin) ; réseau de distribution

• Réservoir liquide

– 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)

Dans un composé chimique

• Nitrogéné : NH_3, N₂H₄ : toxicité, acceptation sociale et réseau de distribution

• Essence : intérêt : accepté et réseau de distribution partout

• Biocarburants : renouvelables

• Problème : réformage à bord

• C_nH_m + 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

Projets Daimler Chrysler

Projet Fever Renault

Projets PSA

Projet Fiat

Tous constructeurs

Souplesse et

efficacité ?

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

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 ;

> 100 bus

• De plus en plus de villes s’équipent.

Consommations comparées

Emissions comparées

Marine et piles à combustible

• 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

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

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

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...)

Une installation sur PEM

Systèmes combinés

• Alimentation d’une SOFC sous pression

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)

Application cogénération domestique

PILE

CHAUDIERE

BALLON

BOUCLE DE CHAUFFAGE

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

Plug Power - GE

• Sur le marché : 7 kW

Schéma de principe

Applications « portables »

Système complet Ballard de 1,2 kW Vélo assisté électriquement

Ordinateurs, téléphones portables…

Offre française

• 2 PME filiales de grands groupes

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

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

Conclusions - 2

• Contexte français : bilan mitigé

– 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

– Déréglementation, intérêt des «fontainiers»

– Implication des industriels, ANR – Le transport tirera la cogénération

Sites internet

• Des centaines de sites

– www.fuelcells.org – www.hfcletter.com

– www.fuelcelltoday.com – www.fuelcellmarkets.com

• Les sites des constructeurs

• Automobiles,

• De piles : Ballard, Nuvera, Axane ,

• …