C. TURPIN, Journée technique H2 08/04/2011

Etat de la recherche universitaire

sur l’hydrogène

en Midi-Pyrénées

Christophe TURPINturpin@laplace.univ-tlse.fr

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!