140930 présentation imn groupe stockage d'energie
DESCRIPTION
Travaux de recherche de l'Instititut des Matériaux Jean Rouxel / CNRS à Nantes. Etat de la recherche sur les différentes formes de stockage couvrant les photobatteries, supercondensateurs, électrolyseurs, piles à combustibles et les projets du territoire (ValorPAC / Intégration d’une pile à combustible dans une chaîne de valorisation de déchets avec gazéification).TRANSCRIPT
www.cnrs-imn.fr
Le stockage de l’énergie…
… l’un des challenges de l’IMN
Annie Le Gal La Salle - Septembre 2014
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L’Institut des Matériaux Jean Rouxel
CNRS – Université de Nantes
Recherche fondamentale et appliquée dédiée à la science des matériaux: 130 + 90 chercheurs sur 2 sites (Michelet/Chantrerie):
PMN : Physique des Matériaux et Nanostructure
PCM : Plasmas et Couches Minces
ID2M : Ingénierie des Matériaux et Métallurgie
MIOPS : Matériaux Innovants pour l'Optique et le Stockage
CESES : Conversion et Stockage de l'Energie Solaire
ST2E : Stockage et Transformation Electrochimique de l'Energie
+ collaborations…
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Equipe CESES :
des objectifs et des collaborations
11 Permanents : 3 Chercheurs CNRS, 8 Enseignants-Chercheurs
15 Non permanents : 1 Ingénieur, 4 Post-Doc, 10 Thésards
Objectifs : i) Réduire le coût de production du Watt-crête photovoltaïque,
ii) Améliorer les rendements,
Photovoltaïque :
- CIGS (IMN-CESES/44Solar/Wysips, IMN/PCM/Crosslux)
- Cellules solaires hybrides (OPV) (IMN-CESES/CEA-INES/Armor/PCAS)
- Cellules à bandes intermédiaires (MiB)) (IMN/CESES-PMN, Nantes; LΦA,
Angers), Nano-OxTi (IMN-CESES/PCAS)
- iii) Convertir et stocker l’énergie solaire.
Photobatterie : Nouveau dispositif permettant la conversion et le stockage de
l’énergie solaire (IMN/CESES-ST2E/Armor)
Aval 4
Du matériau “avancé”
au transfert technologique
Validation de concepts Nouvelle génération de capteurs
Matériaux avancés Morphologies ou propriétés structurales différentes
sols et gels photosensibles (complexes de Ti) (Synthese, propriétés optiques, avec composés du Ti or perovskite)
Tests, Faisabilité et transfert technologique Scale-Up Materials (IMN/CESES, LIMATB, FIST-CNRS)
Solutions pour imprimantes jet d’encre
(ARDEJE Valence)
Prototypes, Design & Process Cellules solaires hybrides (CEA-INES, ARMOR, PCAS…)
(p- and n-type, synthèses et solutions pour films)
10X10 cm2, 7 ans
12 à 24% en 40 ans
(32%)
4 à 15.7% en 5 ans!
(>50%)
M. Richard-Plouet
L. Brohan
Amont
Pourquoi?
Photobatterie:
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Architecture de la photobatterie (thèse G. Guignard, sept 2014)
WP3 :
Conductive (Metal or Carbon) Grid
(IETR, IMN/PCM, ARMOR)
TCO LFA
Polymer/glass
WP1 : Active Layers
IMN/CESES, IM2NP, IETR, ARMOR
WP4 : Membrane
IMN/PMN-CESES
(+)
(-)
Active Layer
Active Layer
…un assemblage complexe!
…plusieurs partenaires... encore “amont”
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Equipe ST2E
SupercapacitorsSupercapacitors
T. Brousse
HT Fuel cells andHT Fuel cells andelectrolyserselectrolysers
O. Joubert
Lithium batteriesLithium batteries
D. Guyomard
Associate: B. Lestriez
SpectroscopiesSpectroscopiesSimulationsSimulations
P. Moreau
SupercapacitorsSupercapacitors
T. Brousse
HT Fuel cells andHT Fuel cells andelectrolyserselectrolysers
O. Joubert
Lithium batteriesLithium batteries
D. Guyomard
Associate: B. Lestriez
SpectroscopiesSpectroscopiesSimulationsSimulations
P. Moreau
Batteries Lithium Piles à Combustible Electrolyseurs
Supercondensateurs
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Part de la consommation énergétique
liée au transport
Réchauffement climatique (CO2)
Ressources limitées en énergies fossiles
Equipe ST2E :
des objectifs …
Et des collaborations…
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Regional :
- PERLE2 (4 PhDs)
National :
- IA : Labex Store-ex, Tours 2015
- ANRs : - 9 on-going :
Calice (Stock-E), BaSilic (Blanc Internat), Icares & Slim & Isicap (Blanc),
Graph’n’Stock & Alise & Flexcap (Progelec), Mecanano (Astrid)
- 9 applied in 2013
- ADEME : Valorpac (Titec)
- CEA-LITEN, CEA-INAC, DGA
- RS2E
European :
- Alistore-ERI
- Euroliion, Baccara (Interface), Roxsolidcell (Eurostar)
- Poznan Institute of Technology
International :
- INRS & UQAM Canada, TIT Japan, Univ. Newcastle Australia, Yamaguchi Univ. Japan,
Yonsei Univ. Korea
Industrial : BatScap (1997-2013) LMP techno
- BatScap (2), STMicro, Renault (2), Solvay, Hutchinson, Thales, Solvionics, SAFT
- Umicore, Bathium, Metafoam, FPInnovation
- Fiaxell, S3D, Syngas
9
On développe une technologie…
en fonction d’un besoin!
Recherches variées? Stockage =
…différentes échelles de puissance…
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Micro-cogénération domestique
(1kW) SOFC
Ensemble de batteries Na-S 350°C
Stockage =
…des réponses différentes…
Unité de stockage d’électricité: 10MW, 60MWh (Hitachi au Japon)
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Stockage =
…des réponses identifiées…
Pacemaker (Li)
Micropompe à insuline (Li)
Start & Stop, récupération énergie freinage, Supercondensateur
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Stockage =
…des réponses en évolution?
Renault Twizy, Li-ion (ville) Honda FCX Clarity, PEMFC,
Perceuse, Supercondensateur
PAC
1 mois d’autonomie
Aujourd’hui… Demain…
Des recherches complémentaires… qui
répondent à des besoins différents!
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Puissance instantanée
# Energie long
terme, autonomie
Activité Supercondensateurs:
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- Recherche au cœur du matériau (capas x2): Carbones activés - Nouveaux dispositifs (bas coût, environnement)
O H
O H
O
O
+ 2 H + + 2 e -
O H
O H
O
O
+ 2 H + + 2 e -
O H
O H
O
O
+ 2 H + + 2 e -
L. Athouël
O. Crosnier
T. Brousse
Système hybride (asymétrique) Carbone/K2SO4/MnO2
pour remplacement de batterie Pb/PbO2.
- Nouvelles techniques (-calorimetrie, modelisation)
P. Guillemet
O. Crosnier
Métrologie et modélisation électrothermique
Modélisation multiéchelles (micro au macro)
Amont
Aval
Activité Batteries Li (36/55 dans ST2E):
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- Na insertion - Batteries tout organiques et renouvelables
- Batteries à électrolyte liquide ionique
-….
- Process: SAFT, Renault, Batscap, …
F. Boucher, P. Moreau, J. Gaubicher
P. Poizot
J. Le Bideau
Amont
Aval
Activité Spectroscopies-Simulations:
Techniques de caractérisation pour tous matériaux
(Li, SOFC, nano-w, RRAM)
RMN, diffraction, méthodes spectroscopiques variées:
…de surface, de cœur, cartographies
lourdes… mais utiles:
Fonctionnement, Mise en évidence de défauts,
vieillissement,…
F. Boucher, P. Moreau, N. Dupré, G. Ouvrard
N. Barreau
Nathalie. [email protected]
Activité Piles à Combustible
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Electrolyte
Air
Cathode
H2
O2-
e-
e-
Anode
O2 + 4 e- → 2O2-
2H2 + 2O2- → 2H2O + 4 e-
chaleur
SOFC: HF Electrolyseurs
Autres types de PAC
O. Joubert, E. Quarez,
P. Leone, A. Le Gal La Salle
Electrolyte céramique conducteur O2- et/ou H+
Nouvelles électrodes composites (metal/electrolyte)
ou conductrices mixtes ioniques/Electroniques
Mise en forme de cellules & tests avec nouveaux combustibles
L’hydrogène, pertinent:
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VE (H2: 500/600 km, 3 min): construction japonaise (Hundaï), 77 stations en Californie … (3 immatriculations françaises de véhicules…!): H2 pertinent (/CO2)
France: protos: MobyPost (Franche Comté), 50km cycle postal, Mobilhytest (Kangoo Renault VE, avec autonomie à 80 km avec PAC), navires liaison Brest-Molène (PAC de 160 kW avec cogéné)
micro-cogénération: 70 000 jusqu’en 2013, 50 000 en 2014 (coûts réduits de 60% en 4 ans!) applications nomades: percuteurs bic, capteurs sismiques WH2, chariots élévateurs (Coca Cola et IKEA!)
….. vraie politique de stockage : gestion des renouvelables sources de H2 de demain diversifiées: biomasse
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TITEC : Transfert pré-Industriel et Tests En Conditions réelles - Hydrogène
et piles à combustible. Objectifs : permettre de financer de nouveaux
démonstrateurs préindutriels.
Programme TITEC-ADEME :
VALORPAC (09/2012-09/2015)
Intégration d’une pile à
combustible dans une chaîne de
valorisation de déchets
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Principe du Projet
Air
Stockage duCombustible
Résidus
5 à 10 %(Cendres, coke, etc.)
Combustible100%
Gazéifieur
Unité de Cogénération par Gazéification couplée à une pile SOFC
SOFC700-800°C
Air
Exhaust gas
Cold Water
HotWater
Electricité40 à 50 %
EchangeurThermique
Syngas : H2, CO
Systèmede
traitement du syngaz
Syngas + impuretés
Prouver le fonctionnement !
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Partenaires
Modelisation (gazogène), fours, échanges de chaleur
Conception du gazogène, fourniture de gaz, tests de cellules sous syngaz
Fourniture de demi-cellules et de cellules complètes
Synthèse de matériaux, étude du fonctionnement des cellules sous syngaz
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Les phases du Projet
3 modules :
MODULE 1
Production de gaz
MODULE 2
Valorisation du gaz et
production d’électricité
MODULE 3
Traitement du gaz /
Amélioration SOFC
Gazogène:
Bois => Syngaz
=> CO + H2
Conception/fabrication d’un pilote semi-industriel
• Gazéification: process breveté par S3d
• composition “idéale” pour SOFC
• N2/H2/CO/CO2/CH4 ,(45/15/15/10/<3), peu de
goudrons… # des gaz issus de méthanisation
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Les phases du Projet
3 modules :
MODULE
Production de gaz
MODULE 2
Valorisation du gaz et
production d’électricité
Tests de labo :
Gaz reconstitués => Electricité
N2, H2, CO, CO2, CH4, autres U, I, P, ASR
• Effet des composants du gaz
• Limite de tolérance des
• contaminants
• (goudrons, sulfures, chlorures)
MODULE 3
Traitement du gaz /
Amélioration SOFC
Solutions de traitement du gaz
• Gaz chaud
• Gaz froid
Améliorations de la pile
Elargissement des conditions
d’utilisation selon résultats…
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Les phases du Projet
3 modules :
MODULE 1
Production de gaz
MODULE 2
Valorisation du gaz et
production d’électricité
MODULE 3
Traitement du gaz /
Amélioration SOFC
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Validation
gas Circulation
Temperature profile
Gas composition
Tars rate
Avancement du Projet
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Influence de H2S
et autres polluants en cours
Vieillissement
Traitement des gaz
MOULE 2
Production
d’électricité Avancement du Projet
MODULE 3
Traitement
du gaz
Orientation des études:
- lien avec agro-alimentaire,
secteur énergivore en PdL,
- lien avec la filière bois…
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Une conclusion?
IMN = partenaire: www.cnrs-imn.fr
VALORPAC: Synergie CNRS PME innovantes
… féconde et prometteuse…
Alors, en route pour …
Oser les projets, expliquer les potentialités de la filière H2
Rôle de la Région? OUI!
Faire évoluer les freins législatifs et autres…
Rôle de la Région? OUI!
Suivre une route définie (distribution),
mettre en lien les partenaires,
étudier la faisabilité « humaine »
Rôle de la Région? OUI! + que financements/évaluation scientifique, …PERLE? EMR?...
Merci de votre attention! [email protected]
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Projet MYRTE (Mission hYdrogène Renouvelable pour l’Intégration au Réseau Electrique)