C. TURPIN, Journée technique H2 08/04/2011
Etat de la recherche universitaire
sur l’hydrogène
en Midi-Pyrénées
Christophe [email protected]
Chercheur CNRS
Laboratoire LAPLACE
UMR INPT-UPS-CNRS N° 5213
Avertissement :
- Exercice délicat
- Recensement non exhaustif
…Merci aux collègues universitaires
« oubliés » de se faire connaître…
- De nombreuses disciplines couvertes
dans cette présentation…
Les acteurs universitaires actifs
… à ce jour …
Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux
RTS = Revêtement et Traitement des Surfaces
SURF = Surfaces – Réactivité et protection
NNC = Nanocomposites et Nanotubes de Carbone
MEMO - Mécanique, Microstructure, Oxydation
UMR CNRS – INPT – UPS 5085
Laboratoire PLAsma et Conversion d’Energie
GENESYS = Groupe Energie Electrique et Systémique
CODIASE = COmmande et DIAgnostic des Systèmes Electriques
CS = Convertisseurs Statiques
UMR CNRS – INPT – UPS 5213
Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
UMR CNRS – INPT – UPS 5502
GEMP = Groupe d’Etudes sur les Matériaux Poreux
INTERFACE = écoulements diphasiques
Laboratoire de Génie Chimique
PSI = Procédé et Système Industriels
BioSYM - Bioprocédés et SYstèmes Microbiens
UMR CNRS – INPT – UPS 5503
FRE EMAC - CNRS 3213
Centre RAPSODEE – Centre de Recherches d’Albi en Génie des
Procédés des Solides Divisés, de l’Energie et de l’Environnement
(…)
Thématiques de recherches autour H2
en Midi-Pyrénées
Des matériaux jusqu’aux systèmes
Exploitation de l’hydrogène
Production d’hydrogène
Stockage et transport de l’hydrogène
Travaux autour
de la production d’hydrogène
Pyrolyse flash à haute température de la
biomasse ligno-cellulosique et ses
composés – production de gaz de synthèse
Etude réalisée dans le cadre de la thèse de
Carole Couhert, (Novembre 2007, Encadrement
: Sylvain Salvador-EMAC).
Température de 950°C
et temps de séjour d’environ 2 s
Axe Réaction dans les solides divisés
Valorisation énergétique des combustibles et de la
biomasse solides pour la production de Gaz de synthèse
(H2 et CO) par voie thermochimique.
Gazéification en eau supercritique (T > 374°C, P > 22,1Mpa)
Axe Valorisation énergie et matière de bio-produits
(biomasse, boues, déchets)
•Définition du système matériel du RTGP(1)
– Résidu carboné : Carbone
– Gaz : N2, CO, CO2, H2, CH4 , H2O
– Goudrons : 9 composés modèles : 1-tétradécène, n-pentadécane, benzène, indène, toluène, phénol, naphtalène, phénanthrène et pyrène
•Définition du système réactionnel
– Gazéification du résidu carboné •A la vapeur d’eau : C + CO2 2 CO
•Au dioxyde de carbone : C + H2O CO + H2
– Craquage •Méthane CH4 C + 2 H2
•Goudrons CxHy x C + y/2 H2
Expérimentation
Modélisation
Paille
de blé
Résidu
carbonéFour tournant
550 °C
Gaz de
pyrolyse
Résidu
carboné
Gaz de
synthèse
CO + H2
Réacteur
de
Traitement
des
Gaz de
Pyrolyse
1000°C
Paille
de blé
Résidu
carbonéFour tournant
550 °C
Gaz de
pyrolyse
Résidu
carboné
Gaz de
synthèse
CO + H2
Réacteur
de
Traitement
des
Gaz de
Pyrolyse
1000°C
Résidu
carboné(C)
Goudrons(9 composés modèles)
Croissance des HAPCroissance des HAP
Gaz(CO2, CO, H2, CH4, H2O, N2)
Dégradation des gaz
Hydrocarbures
Aromatiques
Polycycliques
Résidu
carboné(C)
Résidu
carboné(C)
Goudrons(9 composés modèles)
Croissance des HAPCroissance des HAP
Goudrons(9 composés modèles)
Croissance des HAPCroissance des HAP
Gaz(CO2, CO, H2, CH4, H2O, N2)
Dégradation des gaz
Gaz(CO2, CO, H2, CH4, H2O, N2)
Dégradation des gaz
Hydrocarbures
Aromatiques
Polycycliques(1) Réacteur de Traitement des Gaz de Pyrolyse
Xavier JOULIA
Production de gaz de synthèse (CO + H2) à partir de biomasses Étude et modélisation des phénomènes d’interaction entre les gaz et le résidu carboné
issus de la pyrolyse de biomasses
(F. Nozahic,
Thèse Doctorat
INPT, 2008)
Couplage VHTR - production H2
Stockage
déportéMonticule
séparateur
Bâtiment
réacteur VHTR
enterré Distance
sécurité
Usine H2
Réacteur Nucléaire
VHTR (Génération IV)
He
2 HI + H2SO4
I2 + 2 H2O + SO2
½ O2
SO2 + 2 H2OH2SO4
WaterWater
H2OH2O
H2
HeatHeat
Nuclear
Solar
…
2 HI
H2
I2
+
½ O2
H2O
H2HeatHeat
Nuclear…
2 HIH2
I2+
I
Iodine
circulation
S
Sulfur
circulation
2 HI + H2SO4
I2 + 2 H2O + SO2
H2O
H2SO42 H2O + SO2
½ O2
½ O2
Production électrique
Cycle Brayton He Direct
H2 Production: 100 mol/s / usine
Cycle Iode - Soufre
Système de conversion d’énergie
Production hydrogène-ÉlectricitéCouplage VHTR – production H2
Développement de stratégies d’optimisation multicritère
par algorithmes génétiques
Département PSI Procédés
et Systèmes Industriels
Equipe COOP- Catherine Azzaro-Pantel
BioSyM
Idée: utiliser des phosphates comme catalyseur homogène de la réduction de l’eau pour la production d’hydrogène
1.0
1.4
1.8
2.2
2.6
3.0
0 20 40 60 80 100 120t (min)
Ece
ll(V
)
Phos-Phos
KOH-KOH (conditions classiques)
KOH-Phos (phosphate côté cathodique)
Gain 0,6 V
6,8 kWh/Nm3
Surtension Anodique élevée
Consommation énergétique
4,9 kWh/Nm3
Conforme à la biblio
3,4 kWh/Nm3
Surtension Cathodique faible
Effet tampon: pH stable
Gain énergétique: 31%Régine Basséguy
Production d’hydrogène par ELECTROLYSEUR ALCALIN en conditions douces (pH 3-8)
diffAL diffGDLErév act diffH+ ηelecI
CdiffGDL
Cdc
ICdiffAL
CdiffAL
ICdiffGDL
Icdc
In
Iact IdiffAL IdiffGDL
CdiffH+
IdiffH+
I
ICdiffH+
1
Modèle fort signal basé circuit:
PACI
t
1Hz 100mHz 10mHz
Excitation multifréquencesMonocellule HELION
Modélisation et caractérisation d’un ELECTROLYSEUR PEM (acide)
Département PSI Procédés
et Systèmes Industriels
Equipe COOP- Catherine Azzaro-Pantel
- biomasse
- électrolyse de l’eau
- …
… travaux en cours …
Analyse des Cycles de Vie
de différentes filières
de production d’hydrogène:
Travaux autour
du stockage et du transport
d’hydrogène
Challenges environnementaux:
Transition vers l’économie H2
Réseaux de gazoduc d’H2
insuffisants (1500 km en Europe)
Différence de propriétés entre H2 et
GN
Aspect sécurité
Adaptation du modèle
H2 CH4
MM, g/mol 2 16
ρ standard, kg/m3 0.08 0.65
PCI, MJ/m3 à 1 atm 11 35
PCI, MJ/kg à 1 at 120 48
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Mass fraction (%)
Pressions
extrémités: 60 bar
Fra
ctio
n d
’hyd
rog
èn
e
Puissance transmise, kW
Utilisation des réseaux
actuels limitée à 6-8%
d’hydrogène
Addition d’hydrogène
dans un réseau existant de gaz naturel
Travaux autour
de l’exploitation de l’hydrogène
Matériaux pour piles et électrolyseurs SO Haute Température→ Synthèse et mise en forme de matériaux
→ Assemblage de cellules
H2O
O2
Thèse INPT JB Dupont Sept. 2007ConfidentielFinancement ADEME-RenaultDirection IMFT : D. Legendre – J. Fabre
Gestion de l’eau dans les piles à combustible PEM
(a)
(c)
(b)
Exemples de simulations numériques mettant en évidence les configurations possibles d’un écoulementgaz (bleu) – liquide (rouge)(a)Écoulement stratifié(b)Écoulement à vagues(c)Écoulement à poches (intermittent)
Dans les canaux
d’alimentation de gaz
Gestion de l’eau dans les piles à combustible PEM
Dans les couches poreuses des
Assemblages Membrane
Electrode (AME)
• Caractérisation expérimentale
• Réversibilité
• Caractérisation de l’état de santé
Convertisseurs à très hauts rendements
CŒUR PAC PEM
ELECTRONIQUE DE PUISSANCE (CVS)
• Associations série/parallèle
INTERACTIONS PAC/CVS
Modélisation, caractérisation et mise en œuvre des accumulateurs
(Lithium-Ions, Acide plomb), supercondensateurs et électrolyseurs
COMPOSANTS ELECTROCHIMIQUES DE STOCKAGE
HYBRIDATION PAC/CEdS
• Modélisation énergétique
• Paramétrisation des modèles SYSTEMES
à PILE A
COMBUSTIBLE
et ELECTROLYSEUR
ENERGIES
RENOUVELABLESphotovoltaïque et éolien
Travaux sur les piles à combustible au LAPLACE.
C. TURPIN, S. ASTIER, M. GARCIA (2007), R. SAISSET (2004), CHAPOULIE (2000)
PACnœud
électrique
élément destockage
chargeconvertisseur
statique
convertisseur
statique
convertisseur
statique
Hybridation d’une PAC et d’un composant de stockage
Travaux sur les piles à combustible au LAPLACE.
C. TURPIN, S. ASTIER, M. GARCIA (2007)
C E LINA
Remplacement de la RAT (éolienne) pour le réseau de secours
par une PAC hybridée par des supercondensateurs.
Projet européen CELINA
AIRBUS - DASSAULT
Mission à réaliser:Architectures retenues et comparées:
CD
2 CVS
SD BUS
Générateur de secours pour avion (études théoriques)
BANC SC
Superviseur
(chef d’orchestre des
échanges d’énergie)
Banc de tests de supercondensateurs
(protection de la pile à combustible
contre les variations rapides de la
mission électrique)
Hydrogène
H2
Hydrogène
H2
Oxygène
O2
Oxygène
O2
chaleur
eau
Banc de tests de PAC
Charges électriques
pilotables (émulation de
la mission à remplir)
CVS
PAC
Cœur arrière
MOETnoeud
électrique
CVS
PAC
Validations expérimentales
en cours (projet ISS)
Générateur de secours pour avion (études expérimentales)
Travaux sur les piles à combustible
menés au LAPLACE, S. Astier, C. Turpin
Projet ANR PEPITE, Projet MYRTE
Hydrogène électrolytique pour le lissage de la production
solaire : applications isolées, écrêtage réseau
ChargeGPV
batterie
DC/DC
MPPTDC/AC
DC/DC
électrolyseur PAC
O2H2
DC/DC
H2O
DC/DC
H2O
Vbus
Exemple d’architecture hybride
HELION
Université de Corse
CEA INES
LAPLACE
Compétences en Recherches
sur l’hydrogène-énergie en Midi-Pyrénées
De nombreux travaux sur :
Les matériaux
Les composants
Les sous-systèmes et systèmes
Approches théoriques :
modélisations, simulations, optimisation
Approches expérimentales :
maquettes, caractérisations, démonstrateurs
Collaborations université - industrie
Résumé
Perspectives et potentialités
Filière hydrogène en Midi Pyrénées
Les centres de recherche de l’Ecole des Mines d’Albi
RAPSODEE
Recherches développées dans le domaine des
procédés industriels
En particulier dans le domaine de la génération
de vecteurs énergétiques (dont SYNGAS, H2,
intermédiaires chimiques)
Appui sur les compétences scientifiques des EC
et les équipements des laboratoires
Future plate forme Val-Thera (labellisé par le
pôle AGRIMIP INNOVATION)
Institut Clément Ader-Albi
Recherches sur les matériaux et les procédés.
Approche multidisciplinaire (matériaux, mécanique,
mesure) et couplage expérimentation / modélisation /
simulation numérique. Trois domaines phares :
. Optimisation des outillages de mise en forme,
. Nouveaux matériaux et procédés (matériaux
métalliques et composites),
. Nouvelles techniques métrologiques (forme,
température, …).
Future plate forme MOMA-SurDyn (labellisée par le
pôle AESE)
Génie Industriel
Démarches systématiques et rationnelles pour
améliorer les processus de création de la valeur
des entreprises dont:
•Aide à la décision
•Logistique/Choix d’implantation / Flottes/
Transport
•Gestion des flux
Projet PLASSE : PLAteforme d’étude du Stockage électrochimique de l’énergie
électrique pour les applications Stationnaires et EmbarquéesPorteur: Ch. TURPIN (LAPLACE)
PAC
CVSELYZ
dif
fAL
dif
fGD
LE
rev
act
dif
fH+
Re
lec
Cd
iffG
DL
Cdc
Cd
iffA
L In
Cdiff H
+
-
+
H2
02
diffA
LdiffG
DL
Ere
vact
diffH
+R
ele
c
CdiffG
DL
Cdc
CdiffA
L
In
Cdiff H
+
-
+
BATTERIE H2/02
Conditionnement
(P, H20…)
H20Conditionnement
(P, …)
Conditionnement
(P, H20 …)
Q
PAC
Réversible
CVS
dif
fAL
dif
fGD
LE
rev
act
dif
fH+
Re
lec
Cd
iffG
DL
Cdc
Cd
iffA
L In
Cdiff H
+
-
+
BATTERIE H2/02
H2
02
Conditionnement
(P, H20…)
H20Conditionnement
(P, …)
Conditionnement
(P, H20 …)
Q
Basse Température
(T<100°C)
Moyenne Température (100°C< T < 500°C)
Haute Température
(T>500°C)
Maîtriser les électrolyseurs d’eau pour la
production d’H2 et/ou d’O2.
Maîtriser les piles à combustible H2/02
pour la production d’électricité.
Maîtriser l’association électrolyseur/ pile à
combustible H2/02 (« batterie H2/02 »)
pour le stockage/déstockage d’électricité.
De la fusion des deux composants: pile
à combustible réversible H2/02 pour le
stockage/déstockage d’électricité.
AXE n 1 : Vers la « batterie H2/02 »
Du matériau au système … et du système au matériau
Génie Electrique
Génie Chimique
Mécanique des fluides
Matériaux
Un projet structurant pour une concentration inédite de
compétences autour de l’H2
Tests nominaux et aux limites, vieillissement, caractérisations
électrique, thermique, vibratoire.
Modélisation.
Diagnostic.
Electronique de puissance...
AXE n 2 :
Autres composants électrochimiques de stockage
Contexte système (pas de conception de composant)
Maîtriser les batteries (Li-ions…) et les supercondensateurs.
Domaines d’application privilégiés:
aéronautique, spatial, stationnaire
Localisation (court terme):
120m² 120m² (+ 80m²)
Une seule localisation à moyen terme?
Financement de la plateforme:
ENSEEIHT, fonds propres et industriels, IRT
Avril 2010 – Décembre 2010:
Conception et mise en place d’une
nouvelle plate-forme de tests pour
piles à combustible et électrolyseurs
sur le site INPT-Labège
(120m² + 80m²)
Supervision 11,25m²
ConvecteurConvecteurConvecteur
Climatisation
Coffret
électrique
Point eau
+
évacuation
Climatisation
H2
O2
Air
N2
Co
nvecte
ur
Co
nvecte
ur
Co
nvecte
ur
Clim
ati
sati
on
Co
ffre
t
éle
ctr
iqu
e
Po
int eau
+
évacu
ati
on
Clim
ati
sati
on
H2
O2
Air
N2
prototypes
électriques32,55m²
prototypes
PAC et ELYZ43,52m²
2
1
3,75
Nouvelle plate-forme de tests pour
piles à combustible et électrolyseurs
sur le site INPT-Labège
Merci pour votre attention!
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