La dynamique de la filière Hydrogène Energie Jean-Marc Agator CEA-DRT 1. La dynamique technico-économique 2. La dynamique européenne et internationale Jean-Marc Agator CEA-DRT

Utilisation/Application La filière Hydrogène Conversion (combustion,électrochimie) Utilisation/Application (chaleur, électricité) Transport Stockage Distribution Production Pile à combustible Moteurs Turbines

L’association Hydrogène et Pile à combustible Chaleur Eau Electricité Economies d’énergie Rendement élevé (Rélec > 40%) Réduction des émissions locales, des émissions de CO2 L’eau est le seul rejet si H2 pur Faibles émissions sonores Diversification énergétique La PAC n’est pas liée à une source d’énergie primaire Construction modulaire

L’association Hydrogène et Pile à combustible Les PAC sont candidates sur plusieurs grands marchés : - Transports - Applications stationnaires (électricité, chaleur) - Applications portables Methanol, Ethanol,... H2 Biogas, Biomass, Coal, ... PEM AFC DMFC … Reformer SOFC Transport Stationary Road Maritime Air Residential Industry Portable MCFC PAFC

􀂋L’hydrogène, vecteur énergétique de l’avenir ? Un carburant qui pourrait peu à peu s’imposer, en particulier pour les transports (piles à combustible), pour lutter contre l’effet de serre Il faut privilégier dans sa production les méthodes ne produisant pas de gaz à effet de serre Il est pratiquement inépuisable (durabilité de l’approvisionnement) Un processus long terme (échéance 2030-2050) qu’il faut démarrer maintenant pour lever les barrières : - Comment le produire massivement ? - Comment le stocker et le distribuer (infrastructure) ? - Comment l’utiliser ? Tout en réduisant les émissions de CO2, les coûts et en maintenant les performances et la sécurité de la filière

Coût de l’hydrogène délivré à la pompe Le transport d’H2 et sa distribution en station-service ont un impact fort sur le coût final à la pompe (facteur 3 à 5) Chaque solution doit être étudiée du puits à la roue ou de la source à l’utilisation sur l’ensemble des critères Essence hors taxes Objectif 2010 du DOE (via SMR) Projet HyWays (HyFrance) Roadmap européenne technico et socio-économique de l'hydrogène énergie (en cours)

HyWays/HyFrance : développement de la "roadmap" de l’hydrogène énergie Projet Européen HyWays ( 01/04/2004 : 36 mois) Analyse quantitative détaillée des conditions nécessaires pour introduire l'hydrogène énergie d'ici 2050 en Europe, en s’appuyant sur les situations nationales : chaînes de l'hydrogène, de la source à l'utilisation (transports, stationnaire) scénarios de pénétration des technologies de l'hydrogène (haut, bas) analyse des systèmes énergétiques (modèle Markal) impacts sectoriels, analyse macro-économique (équilibre général) Synthèse : roadmap européenne Recherche du consensus entre les 33 partenaires du consortium : Industriels (automobile, énergie, gaz industriels…) Organismes de recherche publique États membres 1ère phase (18 mois) : D F GR I N NL Projet HyFrance ( 01/04/2004 : 18 mois) Application française des méthodes et outils de HyWays : élaboration des données françaises nécessaires à HyWays expertise des méthodes et outils de HyWays expertise et exploitation des résultats français de HyWays Coordinateur de HyFrance et point de contact national de HyWays : CEA 14 partenaires français du CEA : Industriels Ministères (Industrie, Recherche) Organismes de recherche publique Associations Roadmap française

Production d’hydrogène Le défi énergétique Pour la production massive d’hydrogène, il faut privilégier les procédés à haute température permettant d’augmenter le rendement Source à Haute Température : nucléaire, solaire, géothermie Electrolyse à basse température Rendement énergie primaire : 20-25 % Electrolyse à haute température Gain de 10 à 30 % Cycles thermochimiques Rendements espérés : 50 % / énergie primaire (chaleur)

L’amélioration du transport de l’hydrogène passe par le stockage Cahier des charges des constructeurs automobiles : stocker environ 5 kg d’H2 pour une autonomie de 500 km Capacité massique de stockage > 5 % (> 1.5 kWh/kg) Capacité volumique de stockage > 36 kg H2 /m3 (>1.2 kWh/L) Solide Liquide Gazeux

Stockage d’hydrogène Performances des technologies actuelles par rapport à l’objectif 2015 du DOE 5 10 15 20 25 30 35 40 Volumetric Energy Density MJ/l Gravimetric Energy Density MJ/kg LH2 SysWt% 4.2 CGH2 SysWt% 3.7 700bar Advanced LH2 Tank SysWt% 8.2 HT+ MT- Metal Hydrides SysWt% 3.3 - 3.4 LT- Metal Hydride SysWt% 1.2 DOE-Goal 2015: SysWt% 9 . Gasoline Besoins de R&D pour améliorer la capacité des réservoirs et baisser leur coût de fabrication (objectif système de stockage 2015 : 60 €/kg)

Technologies PEMFC et SOFC Deux filières jugées prometteuses PEMFC (pile à membrane échangeuse de protons) T ~ 80 °C cellules et stacks disponibles ex : Ballard, Plug Power… SOFC (pile à oxyde solide) T > 700 °C piles tubulaires opérationnelles, piles planaires prototypes ex : Siemens Westinghouse, Sulzer Hexis… Elles offrent le meilleur potentiel pour leur densité de puissance (compacité) et leur simplicité de mise en œuvre Electrolyte Polymère Solide Plaque bipolaire H2 O2 (air) Anode Cathode H+ Collecteur de courant ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O H2 2H++ 2e- e-

Les grands défis technico-économiques de la PAC Coût, durabilité, fiabilité, intégration, sûreté, plus-value Situation actuelle : Coût de la PAC ~ 3000-5000 €/kW et durée de vie système en conditions réelles d’utilisation : 500 à 2000 h Les défis - Endurance (40 000 h) - Coût visé : < 800-1500 €/kW - Infrastructure, stockage H2 Stationnaire - Endurance (5 000 h véhicule particulier) - Coût visé : < 200 €/kW (transport urbain) 250 €/kW APU (voiture de luxe) 50 €/kW (véhicule particulier) - Infrastructure, stockage H2 Transport - Coût visé (0,5 €/Wh) - Miniaturisation Portable

Panorama en France Public research organisations CEA, CNRS, IFP, INRETS, INERIS, CSTB, UTBM, Universities, Fuel cell makers System Integration Axane, Helion, SNECMA Materials and components SNPE-SME Saint-Gobain, Ullit, Composites Aquitaine Energy suppliers Energy services EDF, Dalkia, Alstom, Areva Fuel processor makers N-GHY, CETH Oil companies Gas suppliers Air Liquide, GDF, Total End Users Renault, PSA, Irisbus, Valeo Schneider, Thales Governmental entities Ministries, Ademe Europe FP6 European Hydrogen Platform International IPHE IEA

Hydrogène et Piles à combustible en Europe Aides publiques comparées - FP 5 (1998-2002) : 145 M€ - FP 6 (2003-2004) : 100 M€ (50M€/an) plate-forme européenne : Total Europe : 100-150 M€/an 2002 : création d’un High Level Group Juin 2003 : rapport sur la vision européenne H2&PAC/conférence Bruxelles Décembre 2003 : initiative de croissance européenne (projets phares) Janvier 2004 : lancement de la plate-forme européenne H2&PAC (vision commune partagée, stratégie cohérente) - Quick start program : 2.8 Milliards € sur 10 ans (2005-2015)

La plate-forme européenne

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Panorama 2004 de l’investissement R&D public/privé et de la collaboration internationale