Du nouveau du coté des piles à combustible! Pascal Brault Groupe de recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés UMR6606 Université d’Orléans – CNRS Polytech’Orléans BP 6744 45067 ORLEANS Cedex 2 Pascal.Brault@univ-orleans.fr 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie Sommaire La politique énergétique de la France après le sommet de Rio Action 21  programme global d’action pour un développement durable au XXIe siècle Renforcer les bases scientifiques du développement durable Un exemple de conversion de l’Energie Les Piles à Combustible L’Energie Hydrogène : H2 : Un vecteur énergétique avec les vertus de l’électricité et des énergies fossiles sans les inconvénients Production, distribution, stockage Application aux transports 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Les étapes des accords internationaux sur le développement durable Juin 1992 Déclaration de Rio du Sommet Planète Terre  prise de conscience universelle des risques multiples encourus par la planète Terre et ses habitants au regard de la situation de l’environnement physique, biologique, économique et social  meilleure gestion des ressources de la Planète Décembre 1997 Protocole de Kyoto  Modalités du développement durable (Réduction émission gaz à effet serre, …) Août-Sept. 2002 Sommet de Johannesburg  Plan d’action : aboutir à l’éradication de la pauvreté et réaliser le développement humain. 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie in : Sommet mondial du développement durable Johannesburg 2002 LA SCIENCE AU SERVICE D’UN DÉVELOPPEMENT DURABLE Contribution des organismes publics de recherche français Les principaux axes de recherche concernent : ■ l’énergie photovoltaïque, en vue d’améliorer les rendements de conversion, d’abaisser les coûts de fabrication des modules photovoltaïques et d’optimiser la gestion d’un système énergétique complet ; ■ l’énergie géothermique, en vue d’élargir les domaines d’exploitation de cette ressource actuellement limitée aux gisements sédimentaires (aquifères profonds pour le chauffage urbain) ou volcaniques (production d’électricité à partir de vapeur) vers des potentiels plus vastes (socles profonds) ; 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie ■ la production de combustibles non-fossiles et leur conversion en énergie électrique, thermique ou mécanique par des piles à combustible dont les rendements sont bien supérieurs aux rendements des convertisseurs classiques (turbines, moteurs diesel...), le carburant hydrogène pouvant être obtenu par électrolyse de l’eau ou par gazéification de la biomasse ; ■ le stockage de l’énergie, en visant un stockage maximal d’énergie par unité de volume et de masse, par exemple dans des batteries au lithium, ou des micro-batteries pour cartes à puces ; ■ l’utilisation rationnelle de l’énergie, où un effort particulier est mené pour modéliser des systèmes thermiques et thermohydrauliques et des dispositifs très avancés en vue de réduire leur consommation énergétique. 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Le convertisseur idéal de l’hydrogène ? La (les) pile(s) à combustible(s) H2O e-  Oxydant (ex. O2) Electrolyte or Ions + Ions - Cathode Anode Plaque bipolaire Combustible (ex. H2) 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie  Pile basse température : Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC)  Pile haute température : Piles à oxyde solide (SOFC) 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC) tissu de carbone Couche de diffusion ( 50 µm) : carbone poreux (80 %) + PTFE (20 %) Couches Actives (10 μm ): carbone poreux + PTFE + catalyseur Membrane Nafion (30 150 µm) : polymère perfluoré acide 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Pile à oxyde solide (SOFC) Anode Cathode Electrolyte solide dense et/ou Pile à oxyde solide (SOFC) Pile à oxyde solide (SOFC) 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Pile à oxyde solide (SOFC) Anode (poreuse) Ni-ZrO2/Y2O3 Sr1-1.5xYxTiO3 Electrolyte (dense) ZrO2-Y2O3 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 Cathode (poreuse) La0.8Sr0.2MnO3 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Verrous scientifiques et technologiques Augmenter température de fonctionnement PEMFC ( 120°C) Baisser température de fonctionnement SOFC (1000°C  700°C) Recherches sur les matériaux de cœur de piles Hautes performances, faibles coûts, durables, tailles Fonctionnement et environnement de la pile Gestion des gaz, de l’eau  Pb corrosion Durée de vie > 5000h (automobile) Implantation + production + stockage H2 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Verrous scientifiques et technologiques (suite) PEMFC : Catalyseur sans platine  implication sur électrolyte (anionique OH-) Valoriser « déchets » pétroliers comme nouveaux combustibles (glycérol) -SOFC : Electrolyte conducteur protonique Réduction des épaisseurs Nouveaux matériaux d’électrode (perovskites, fluorite) Approche système - Plaque Graphite  matériaux emboutissable léger, non corrodable (Acier traité) Bipolaire Coût d’une pile : 1/5 : plaque bipolaire 1/5 : électrolyte 1/5 : électrodes 2/5 : le système 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie La question de l’hydrogène Sécurité : validée Infrastructure : Transport, stockage, distribution. (voir Islande, Autoroute de l’Hydrogène (Norvège)) 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

La question de l’hydrogène (suite) Distribution 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

La question de l’hydrogène (suite) Distribution 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

La question de l’hydrogène (suite) La production Electrolyse : H2O  H2 +1/2O2 Eolien Solaire (Photovoltaïque et Thermique) Nucléaire Réformage : HC +O2 (H2O)xH2 + yCO Thermique, plasma, … 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

La question de l’hydrogène (suite) Le stockage Stockage gazeux hyperbar (en test sur véhicule 300 bar. Etude validée 700 bar) Hydrures métalliques (Palladium, …) borohydrures (LiBH4, NaBH4, …) Nanostructures de carbones 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie Perspectives … d’avenir? Applications nomades : 2010 -2020 Applications transports : 2030 – 2050 Applications stationnaires : 2050 APU : 2015 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie Perspectives … d’avenir? Dans 100-150 ans : plus de pétrole, plus d’uranium … … mais encore de l’hydrogène, du soleil, du vent … … et des idées ? 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Application aux transports Voitures PAC 23/01/2007 : Chevrolet Volt, le diamant de GM Chevrolet Volt, pour faire le plein : essence, E85, électricité ou hydrogène ? 26/01/2007 : Ford H2, un concept et un prototype Ford Airstream et Edge HySeries, des voitures à hydrogène qui se rechargent. 02/12/2006 : Ford Explorer à PAC Le Ford Explorer à pile à combustible, l'hydrogène pour les familles américaines. 12/09/2006 : Peugeot 207 CC Épure à PAC Peugeot 207 épure, blanche, électrique et écologique : zéro pollution. 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie Autres véhicules PAC 30/12/2005 : Un dragster Hyundai Hyundai Gator, le premier concept d'un dragster avec une pile à combustible. 21/05/2005 : La guerre sans polluer ? Un Chevrolet Silverado à pile à combustible pour mettre l'armée US à l'hydrogène 07/12/2004 : Buggy à PAC pour l'armée Avec le Quantum Aggressor, l'armée américaine a un coup d'avance. 07/09/2004 : Peugeot Quark, le quad à PAC Peugeot Quark, le quad français à pile à combustible qui répond à Toyota. 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie véhicule Honda FCVX autonomie 300 km, PAC 100 kW moteur sur roue 25 kW chassis bas  amélioration de l’habitabilité 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie véhicule GM Hy-Wire l'Hy-wire, le réservoir blindé de 75 kg contient 2 kg d'hydrogène !). Avec une autonomie de 400 km, 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie Projet GENEPAC : PEUGEOT - CEA     Peugeot Partner Taxi Pile A Combustible  Compartiment moteur et pile à combustible du Peugeot Partner Taxi  Rack réservoir hydrogène du Peugeot Partner Taxi 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Clean Urban Transport for Europe Projet CUTE Clean Urban Transport for Europe 9 villes d’Europe Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxembourg, Madrid, Porto, Stockholm, Stuttgart 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

Journées de Physique-Chimie 17/04/2003 Bateau à l’Hydrogène 08/04/2003 : De l'hydrogène dans l'eau ! C'est ce qui arrive quand on fait fonctionner un sous-marin avec une pile à combustible. 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie

En attendant ... on peut utiliser la voiture hybride 25 -26 mars 2009 Journées de Physique-Chimie