Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo,

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Domaine : énergie

Document : rapport d’ambassade

Titre : les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo

Auteurs : Hugues CHATAING ([email protected]) Pierre DESTRUEL ([email protected])

Date : mars 2010

Mots-clefs : photovoltaïque, hydrogène, pile à combustible, batterie, nouvelles énergies

Résumé : Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International

des Cellules Photovoltaïques (PV Expo 2010), le 6e Salon International de

l’Hydrogène et des Piles à Combustible (FC Expo 2010), ainsi que les

premières éditions du Salon International de la Batterie (Battery Japan),

du Salon International de la Fabrication des Systèmes Photovoltaïques

(PV System Expo) et du Salon des Techniques Industrielles pour le

Secteur des Energies Renouvelables (Processing Technology Expo). Ce

rapport présente les technologies japonaises majeures exposées dans les

domaines de l’énergie photovoltaïque (PV Expo), des piles à combustible

(FC Expo) et des batteries (Battery Japan).

Ambassade de France au Japon Service pour la Science et la Technologie

4-11-44, Minami-Azabu, Minato-ku, Tokyo, 106-8514, Japon

Tél. : 81-3-5798-6034 Fax : 81-3-5798-6050

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Ambassade de France au Japon, mars 2010 2/26

Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo

Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International des Cellules

Photovoltaïques (PV Expo 2010), le 6e Salon International de l’Hydrogène et des Piles à

Combustible (FC Expo 2010), ainsi que les premières éditions du Salon International de la

Batterie (Battery Japan), du Salon International de la Fabrication des Systèmes

Photovoltaïques (PV System Expo) et du Salon des Techniques Industrielles pour le Secteur

des Energies Renouvelables (Processing Technology Expo). Il s’agit d’un grand

rassemblement international (le plus grand au monde en ce qui concerne l’énergie

photovoltaïque) autour des nouvelles énergies, secteur dans lequel le Japon entend bien

jouer le rôle de leader mondial.

Les salons ont attiré 80 000 visiteurs sur trois jours. Les exposants, dont le nombre

dépassait le millier, provenaient de nombreux pays asiatiques (Japon, Taïwan, Corée du Sud,

Chine...), américains (Etats-Unis, Canada…), européens (Allemagne, Suisse, France…) et

océaniens (Australie…).

Fort de ce succès, l’expérience sera renouvelée l’année prochaine (du 2 au 4 mars

2011), avec deux salons supplémentaires : l’Eco House Expo et le Smart Grid Expo. En

attendant, ce rapport propose un aperçu des technologies présentées au cours des trois

salons principaux : PV Expo, FC Expo et Battery Japan.

Bien évidemment, il n’est pas question de dresser ici la liste exhaustive des produits

exposés pendant ces trois jours mais seulement de proposer une sélection des technologies

qui ont attiré notre attention, et ce afin d’offrir au lecteur un panorama des développements

japonais récents dans les domaines de la production d’électricité d’origine photovoltaïque, de

l’hydrogène, et des batteries rechargeables.

N.B. : le taux de change utilisé dans ce document est de 125 yens pour un euro.


Sommaire

PV Expo 2010 ....................................................................................................................... 4

Les différentes technologies photovoltaïques................................................................ 4

Le Silicium ............................................................................................................ 4

Les cellules à base de composés inorganiques autres que le silicium .................. 9

Les cellules organiques et les cellules à colorant.................................................11

L’intégration des modules photovoltaïques aux bâtiments : l’exemple de Mitsubishi et

OM Solar......................................................................................................................13

Le photovoltaïque devient mobile.................................................................................14

FC Expo 2010 ......................................................................................................................16

L’hydrogène pour les véhicules....................................................................................16

L’hydrogène à la maison ..............................................................................................19

L’hydrogène pour les appareils nomades.....................................................................20

Battery Japan .......................................................................................................................21

Les batteries Li-ion.......................................................................................................21

Les batteries Li-polymère.............................................................................................23

Une autre technologie couramment utilisée : le NiMH..................................................24

La batterie à flux ..........................................................................................................25

PV Expo 2010


PV Expo 2010

PV Expo 2010 a rassemblé 579 exposants provenant de 21 pays. A l’exception

notoire de Sanyo, tous les plus grands industriels japonais du secteur de l’électricité d’origine

photovoltaïque étaient présents sur le salon : Sharp, Kyocera, Mitsubishi, Solar Frontier

(anciennement Showa Shell), etc.

Ce rapport donne tout d’abord une description des différentes technologies

développées par les entreprises nippones. Il présente ensuite quelques exemples

d’application.

Les différentes technologies photovoltaïques

Le Silicium

Qu’il soit multicristallin, polycristallin, monocristallin ou amorphe, le silicium constitue

le matériau de base de la majorité des panneaux solaires actuellement vendus dans le

commerce. La recherche dans le domaine est très active, si bien que les modules affichent

des rendements de conversion de plus en plus élevés.

Kyocera a annoncé le 2 mars de cette année qu’il prévoyait de porter sa capacité de

production annuelle à 1 GW d’ici 2012. Cette entreprise est spécialisée dans la fabrication de

cellules photovoltaïques à silicium multicristallin (technologie qui représente 50% du marché).

Elle a présenté différents modèles de « toitures photovoltaïques », aux noms de Samurai,

Econoroots ou Heyban. Les deux premiers sont des modules rectangulaires de différentes

dimensions à poser sur la toiture. Le troisième présente des panneaux en forme de tuiles.

Tous ces modules ont leur surface texturée par gravure ionique réactive (gravure au plasma

où ce dernier réagit chimiquement avec l’élément gravé) ce qui permet de réduire la réflexion

de la lumière incidente et donc d’augmenter son absorption par la cellule.

La marque a également exposé le prototype d’un module constitué de cellules à

silicium multicristallin à contact arrière (i.e. les électrodes sont situées à l’arrière de la cellule,

et non sur la face exposée au soleil, ce qui évite un effet d’ombrage sur la partie qui absorbe

la lumière). Chacune de ces cellules mesure 156 mm de côté et affiche un rendement de

conversion en laboratoire de 18,5%. Le module, lui, a une puissance de 220 W.

PV Expo 2010


Sharp a également exposé des modules en silicium

multicristallin. De forme rectangulaire ou triangulaire (figure 1),

ils sont conçus pour recouvrir l’intégralité de la toiture d’une

maison. Leur rendement de conversion varie entre 9% et 10%

pour les modules triangulaires et de 12% à 14% pour les

modules rectangulaires. A noter la présence d’un module au

rendement de 14,4%, le plus élevé au monde pour les modules

actuellement commercialisés.

Etait également présent sur le salon la nouvelle cellule

en silicium multicristallin de Mitsubishi Electric (figure 2) dont le

rendement de conversion est de 19,3%. De forme carrée, de 15

cm de côté et d’une épaisseur de 0,2 mm, elle est une version

améliorée d’une première cellule présentée en septembre 2009

dont le rendement s’élevait à 19,1%. Ce gain de 0,2 points a

été obtenu par le développement d’un procédé de

« nettoyage » de la galette de silicium avant le dépôt des

électrodes, technique qui permettrait de réduire de 4% la

résistance de contact des électrodes avec la galette. La figure 3

présente le schéma de principe de cette cellule avec la

structure en nid d’abeille de la face avant qui réduit la réflexion

et donc augmente la quantité de lumière absorbée. De plus, la

face arrière est constituée d’une couche réflectrice qui renvoie

la lumière à l’intérieur de la cellule.

Figure 1 : module triangulaire de Sharp (rendement de 10,1%)

Figure 2 : cellule en silicium multicristallin de Mitsubishi

Electric

Figure 3 : structure de la cellule en silicium multicristallin de Mitsubishi Electric

galette de silicium multicristallin

structure en nid d’abeilles

électrodes

face arrière réfléchissante

réflexion des rayons infra-rouges

réduction de la réflexion des rayons lumineux

PV Expo 2010


Le silicium amorphe est de plus en plus utilisé dans la fabrication des cellules

photovoltaïques. Ces dernières présentent des rendements inférieurs à ceux des cellules en

silicium cristallin, mais elles sont moins chères à produire (quantité plus faible de silicium,

procédé de fabrication moins consommateur d’énergie) et, parce que leur rendement se

dégrade moins par mauvais temps, selon leurs fabricants, elles génèrent plus d’électricité

dans une année qu’un module en silicium cristallin.

On peut noter deux constructeurs japonais qui ont développé des produits à base de

silicium amorphe : Mitsubishi Heavy Industries (MHI) et Fuji Electric Systems.

MHI a exposé un panneau en silicium amorphe appelé MA100. D’une forme

rectangulaire, d’une longueur de 1 414 mm et d’une largeur de 1 114 mm pour une

épaisseur de 35 mm, sa puissance nominale est de 100 W. Il est plutôt destiné aux

entreprises et aux bâtiments commerciaux dont les panneaux seraient connectés au réseau

de distribution d’électricité.

MHI a également présenté une cellule tandem constituée d’une couche de silicium

polycristallin et d’une couche de silicium amorphe. Cette technologie permet d’augmenter le

spectre de la lumière absorbée (chaque couche absorbant une partie différente du spectre)

et donc d’obtenir des rendements de conversion plus élevés. Les deux modules présentés

(MT120 et MT130) ont les mêmes dimensions que le MA100. Leur puissance nominale est

néanmoins supérieure (120 W et 130 W).

Fuji Electric Systems a développé une cellule tandem à

base de silicium amorphe, composée de quatre couches (figure 5) :

- une première constituée d’un substrat en plastique

enserré entre deux sous-couches métalliques,

- une seconde en alliage de silicium-germanium

amorphe,

- une troisième en silicium amorphe,

- une quatrième en ITO (oxyde d’indium et d’étain).

Figure 4 : module Proof Solar de Sojitz utilisant le

fwave de Fuji Electric

Le résultat, appelé fwave, est une cellule souple et légère (moins de 1 kg/m!).

Plusieurs compagnies l’ont adopté pour concevoir leurs propres produits (figure 4 par

PV Expo 2010


exemple), si bien qu’il était visible chez plusieurs exposants du salon, sous différentes

formes.

Figure 5 : structure du fwave de Fuji Electric Systems

Pour finir, deux compagnies, Clean

Venture 21 et Solar Silicon Technology (SST),

ont développé un nouveau type de cellule en

silicium cristallin de forme sphérique. Chaque

cellule (figure 6) est composée de billes de

silicium d’un millimètre de diamètre qui

reposent chacune au fond d’un réflecteur de 2,2

mm à 2,7 mm de diamètre. L’ensemble

constitue une cellule souple à la texture d’un

nid d’abeille, incassable selon les fabricants. Le

réflecteur constitue l’électrode négative, la base

de la sphère l’électrode positive. Cette

technologie permet d’augmenter la surface du

silicium exposée au soleil, tout en réduisant la

quantité de matériau employée.

Figure 6 : structure de base d’une cellule en silicium sphérique

silicium p

silicium n

électrode positive

réflecteur et électrode négative

jonction

ITO

p

Si amorphe

n

p

SiGe amorphe

n

métal

film plastique

métal métal

ITO

p

Si amorphe

n

p

SiGe amorphe

n

métal

film plastique

métal

couche supérieure

couche inférieure

1 m

50 m

une sous-cellule

PV Expo 2010


Les sphères de silicium sont

fabriquées par un procédé de goutte à

goutte (figure 7). Le silicium est fondu

dans un creusé en forme d’entonnoir. En

augmentant la pression par injection d’un

gaz inerte, le silicium est poussé vers le

fond du creuset d’où il s’échappe par

gouttes qui sont recueillies après une

chute de 12 m. Cette méthode permet

d’obtenir des sphères de silicium

polycristallin. Les compagnies peuvent

aussi fabriquer des sphères de silicium

monocristallin poli mais elles ne précisent

pas leur méthode de fabrication.

Figure 7 : fabrication du silicium sphérique

Elles ont ainsi conçu deux types de cellules qui diffèrent par la nature du silicium.

Leurs caractéristiques sont données dans le tableau ci-dessous. Les modules assemblés à

partir de ces cellules (figure 8) ont un rendement compris entre 7,8% et 8,5%.

Silicium monocristallin Silicium polycristallin

Densité de courant de court-circuit (Jsc) 39,7 mA/cm! 33,5 mA/cm!

Tension de circuit ouvert (Voc) 0,534 V 0,512 V

Facteur de Forme FF 73,7% 67,6%

Rendement 15,5% 11,6%

Tableau 1 : caractéristiques des cellules en silicium sphérique

Figure 8 : cellules à silicium sphérique présenté par la société SST

gaz inerte

chauffage

Si fondu

creuset

Si sphérique

four

tour de chute libre

PV Expo 2010


Les cellules à base de composés inorganiques autres que le silicium

Le silicium est certes le deuxième élément le plus courant sur Terre, facile à se

procurer, mais il nécessite d’être purifié pour être utilisé dans une cellule photovoltaïque. La

fabrication d’un lingot de silicium utilisable dans des cellules photovoltaïques est

consommatrice d’énergie et émettrice de CO2. Aussi de nombreux acteurs du secteur

cherchent à s’affranchir de cet élément en développant de nouvelles technologies. Parmi les

solutions proposées, on retiendra celles de deux sociétés : Sharp et Solar Frontier.

Une des grandes vedettes du salon était

incontestablement la nouvelle cellule de Sharp (figure 9), au

rendement de conversion record de 35,8%. Il s'agit d'une

cellule triple jonction, c'est-à-dire qu'elle comporte trois

couches qui absorbent chacune des longueurs d'onde de

lumière différentes. Les cellules triples jonction sur lesquelles

travaillait la société jusqu'à présent étaient composées de

phosphure de gallium indium (InGaP) pour la couche

supérieure, d'arséniure de gallium-indium (InGaAs) pour la

couche médiane, et de germanium (Ge) pour la couche inférieure. Les couches en

germanium sont faciles à fabriquer, mais la moitié du courant électrique qui apparait dans

cette couche ne pouvant pas être utilisée, les chercheurs de Sharp ont décidé de remplacer

ce matériau par de l'arséniure de gallium indium. La nouvelle cellule est ainsi constituée

d’InGaP pour la couche supérieure, d'arséniure de gallium (GaAs) pour la couche médiane,

et d’InGaAs pour la couche inférieure. Le taux de rendement de conversion a ainsi été

amélioré de 31,5% à 35,8%. En utilisant un concentrateur sous 1000 soleils, le rendement

de conversion atteint les 45%. Les autres caractéristiques de la cellule sont données par le

tableau ci-dessous.

Rendement Voc Jsc FF Superficie

35,8% 3,012 V 12,27 mA/cm! 85,3% 1 cm2

Tableau 2 : caractéristiques de la cellule triple-jonction de Sharp

Figure 9 : cellule triple jonction de Sharp (rendement de 35,8%)

PV Expo 2010


Pour rappel, l’Université Tokai avait remporté le

dixième World Solar Challenge (Australie) avec une

voiture équipée de cellules triples jonction de Sharp.

Ce véhicule1 était exposé sur le salon (figure 10).

La compagnie Solar Frontier s’est spécialisée

dans les cellules à couche mince de type CIS (Cuivre

Indium Sélénium). Son pavillon était ainsi

exclusivement consacré aux avantages du CIS par

rapport au silicium. Les principaux arguments défendus par l’entreprise sont :

- un temps de retour sur énergie investie de 0,9 ans contre 2 à 3 ans pour les

cellules en silicium polycristallin.

- une meilleure stabilité dans la production d’électricité : un module CIS est

constitué d’une seule cellule tandis que les modules en silicium cristallin sont

constitués de plusieurs cellules connectées en série. Si l’une d’entre elles est

défectueuse ou non exposée au soleil, toute la ligne devient hors-service.

- la technologie en fine couche permet d’utiliser moins de matière première que le

silicium cristallin.

Précisons qu’il est possible de fabriquer des cellules en couches minces de silicium,

également plus économiques en matières premières et plus stable en production d’électricité

en cas d’ombre partielle sur le module. Toutefois, leurs rendements restent inférieurs à ceux

des cellules CIS.

Solar Frontier prévoit de commercialiser en 2011 un module de 150 W pour un

rendement de 12,2%, et un autre module en 2012 d’une puissance de 160 W et d’un

rendement de 13%. Elle compte augmenter sa capacité de production de 60 MW/an

actuellement pour approcher les 1 500 MW/an en 2014.

1 Voir BE 520 : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/061/61229.htm

Figure 10 : voiture solaire de l’Université Tokai

PV Expo 2010


Les cellules organiques et les cellules à colorant

Les cellules photovoltaïques organiques sont légères, flexibles, et peu chères à

fabriquer. Leurs faibles rendements (5% à 6%) et leur courte durée de vie retardent

néanmoins leur entrée sur le marché. Deux constructeurs japonais, DNP et Fujikura, font le

pari des cellules organiques et de celles à pigments photosensibles (ou à colorant).

Fujikura a développé en partenariat avec la Tokyo

University of Science et l’Organisation pour le Développement

des Energies Nouvelles et des Technologies Industrielles

(NEDO) un module constitué de cellules à pigments

photosensibles (figure 11) structurées en quatre couches (voir

figure 12) :

- une plaque de verre conductrice,

- une couche de dioxyde de titane (TiO2) mésoporeux

dans laquelle est absorbé le colorant (N719),

- l’électrolyte liquide contenant le couple d'oxydants-réducteurs (I- / I3-),

- une électrode enrobée de platine.

Les caractéristiques d’une cellule carrée de 20 cm de côté sont données par le

tableau ci-dessous.

Rendement Voc Jsc FF Dimensions 7,6% 0,68 V 16,5 mA/cm! 65% 20 cm x 20 cm

Tableau 3 : caractéristiques d’une cellule à pigments photosensibles de Fujikura

plaque de verre conductrice

colorant N719 absorbé dans du TiO2

électrolyte (I- / I3

-)

électrode enrobée de platine

Figure 12 : structure de la cellule à pigments photosensibles de Fujikura

Figure 11 : cellule à pigments photosensibles de Fujikura

(20 cm x 20 cm)

PV Expo 2010


Il est à noter que la Tokyo University of Science dit avoir obtenu en laboratoire les

rendements de 10,7% pour une cellule de 5 cm de côté, et de 11,2% avec une cellule

tandem avec une architecture en série.

La société Dai Nippon Printing (DNP) a présenté des

cellules photovoltaïques organiques et des cellules à pigments

photosensibles (figure 13). Leur finesse et leurs différentes

couleurs permettent de les intégrer dans différents objets de la

vie quotidienne (rideaux, jouets, murs, etc…).

DNP travaille actuellement sur le développement de

cellules à colorant utilisant des matériaux peu chers (dioxyde

de titane et colorants). Leur structure est similaire à celle

représentée sur la figure 12, mais leur rendement de conversion est actuellement très

inférieur (2,8 %).

La compagnie a aussi présenté des cellules organiques d’une épaisseur comprise

entre 100 nm et 200 nm de structure classique représentée sur la figure 14. Elles sont

constituées de cinq couches imprimables, d’où un coût de fabrication peu élevé. Leur

rendement est, comme celui de toute cellule organique, relativement bas : 4,1%.

Bien que les rendements soient peu élevés, la technologie des cellules

organiques permet d’intégrer des éléments photovoltaïques dans des

applications inattendues, à l’image de cette affiche publicitaire conçue par

Toppan Forms (figure 15), qui intègre le matériau photovoltaïque PowerPlastic

de l’américain Konarka. La cellule ainsi réalisée permet d’alimenter un

afficheur à cristaux liquides. On peut imaginer une nouvelle génération de

posters à affichage dynamique autoalimentés.

Figure 13 : cellules organiques de DNP

Figure 15 : affiche deToppan Forms équipée d’une

cellule photovoltaïque organique (en bas à gauche)

substrat conducteur transparent

couche de transport des trous

couche active

couche de transport des électrons

électrode métallique

100 à 200 nm

Figure 14 : structure des cellules organiques de DNP

PV Expo 2010


L’intégration des modules photovoltaïques aux bâtiments :

l’exemple de Mitsubishi et OM Solar

Nombreuses sont les sociétés à proposer des solutions d’installation de modules sur

les toits des bâtiments ou dans des fermes solaires. Les décrire toutes seraient fastidieux et

probablement répétitif. Ce rapport présente donc uniquement le concept Eco Sky Roof de

Mitsubishi Estate et OM Solar.

Ce système produit de l’électricité, grâce à des panneaux solaires, mais également

de la chaleur. La figure 16 montre les modules photovoltaïques qui sont disposés sur le toit

de manière à ce que l’air puisse circuler au-dessous. Le flux d’air récupère la chaleur

produite par les panneaux solaires et le collecteur de chaleur. Cet air chaud est ensuite

utilisé pour chauffer la maison en hiver, l’eau en été, les deux à l’intersaison. Selon les

compagnies, ce système permet une économie d’énergie atteignant les 65%. Le schéma ci-

dessous illustre les différents flux en fonction des saisons.

Figure 16 : principe de l’Eco Sky Roof

module photovoltaïque

collecteur de chaleur

échangeur de chaleur

accumulateur de chaleur (option)

air extérieur

réservoir d’eau chauffée

par l’air chaud

réservoir d’eau chauffée par la

pompe à chaleur

pompe à chaleur

Air chauffé

eau froide

eau chaude

air chaud

air tiède

air froid

hiver intersaison

hiver intersaison

été

été

intersaison

hiver intersaison

été, intersaison été intersaison

PV Expo 2010


Le photovoltaïque devient mobile

Nombreuses sont les compagnies à avoir

présenté des solutions pour rendre mobile la

production d’électricité photovoltaïque. On notera

pour commencer le panneau conçu par Kyocera

pour la Toyota Prius 3 (figure 17). En silicium

multicristallin, d’une puissance de 56 W et d’un

rendement de conversion de 16,5%, il fournit

l’électricité nécessaire au fonctionnement de la

ventilation du véhicule.

La société Clean Venture 21 a utilisé les

cellules en silicium sphériques présentés sur la

figure 6 pour concevoir un certain nombre de

chargeurs solaires pour téléphones et consoles de

jeux vidéo portables. Certains de ces modèles

sont déjà en vente, tels ce chargeur à quatre

cellules pliables ou encore ce « mini-paravent »

(figure 18). Tous deux sont vendus au prix de

22 050 yens (176,4 euros).

La compagnie OS a développé à partir du

fwave de Fuji Electric Systems un système

photovoltaïque enroulable et donc portable (figure

19). Il comprend une unité contenant une batterie

et assurant la connexion avec les appareils

électriques. D’un poids de 5,88 kg, elle mesure 30

cm sur 20 cm pour une hauteur de 14,2 cm. Elle

peut délivrer une tension alternative de 100 V ou

une tension continue de 5 V ou 10 V. A cette

« unité source » sont branchées jusqu’à 5 « unités

solaires » de 50 W. Chacune d’elles pèse 7,74 kg,

mesure 55 cm sur 20 cm pour une hauteur de 14,2

cm et contient un rouleau photovoltaïque de 3,5 m de long. Le prix de vente de chaque

appareil n’est pas encore publié mais devrait être de l’ordre de 100 000 yens (800 euros)

Figure 17 : toit solaire de la Toyota Prius 3 (Kyocera)

Figure 18 : chargeurs solaires de Clean Venture 21 pour téléphones et consoles de jeux

portables

Figure 19 : système solaire portable d’OS

PV Expo 2010


l’unité (source ou solaire). L’investissement minimum est donc de 200 000 yens (1 600

euros). Le dispositif peut fonctionner plus de 20 ans.

L’association Watt Kobe (25 entreprises travaillant dans

le domaine du développement des énergies naturelles) a

également présenté un modèle de rouleau photovoltaïque

portable développé à partir du fwave de Fuji Electric Systems.

Ce modèle e-pot (figure 20) n’est constitué que d’une seule

unité de 54 cm de largeur, 16 cm de profondeur et 30 cm de

hauteur. D’une puissance de 22 W, elle délivre une tension

alternative de 100 V ou une tension continue de 12 V. Son prix

de vente est aujourd’hui estimé à 200 000 yens (1 600 euros)

mais l’association veut essayer de le réduire avant de lancer sa

commercialisation.

Pour finir, on notera les sacs et porte-documents conçus par Toppan Forms à partir

des cellules photovoltaïques organiques de Konarka (figure 21). Ils permettent de charger

les batteries de téléphones portables.

Figure 21 : sac et porte-document photovoltaïques de Toppan Forms

Figure 20 : système photovoltaïque e-pot de

Watt Kobe

FC Expo 2010


FC Expo 2010

La sixième édition du Salon International de l’Hydrogène et des Piles à Combustible a

rassemblé 397 exposants en provenance de 18 pays. Loin de couvrir l’intégralité des sujets

abordés dans ce salon, ce rapport d’ambassade se concentre sur trois des domaines

d’application principaux des piles à combustible au Japon : les véhicules, la production

d’électricité dans l’habitat et la charge des batteries d’appareils portables.

L’hydrogène pour les véhicules

Au Japon, la recherche sur l’hydrogène et les véhicules utilisant des piles à

combustible s’inscrit essentiellement dans le cadre du projet pilote JHFC (Japan Hydrogen

Fuel Cell Demonstration Project).

Le projet a été initié en 2002 par le Ministère de l’Economie et de l’Industrie (METI).

Depuis 2009, il est co-piloté par l’Organisation pour le Développement des Energies

Nouvelles et des Technologies Industrielles (NEDO). Il associe des constructeurs

automobiles (Toyota, Nissan, Honda, Suzuki, Mazda, Hino, Daimler, Mercedes-Benz et

General Motors) à des compagnies pétrolières (Cosmo, ENEOS, Shell, Jomo, Sinanen,

Itochu Enex), gazières (Tokyo Gas, Iwatani, Japan Air Gases, Taiyo Nippon Sanso, Osaka

Gas, Toho Gas), sidérurgique (Nippon Steel Corporation), de l’eau (Kurita) et d’éléctricité

(Kansai Electric).

L’objectif du projet est de rassembler les différentes données relatives à la recherche

sur l’hydrogène et les véhicules utilisant cet élément comme carburant, et d’établir la feuille

de route qui conduira à une production de masse et une large diffusion de ce type de

véhicules dans la société.

Un certain nombre de véhicules développés pour ce projet ont été présentés à FC

Expo 2010. Ce rapport n’en décrit que deux qui utilisent différemment l’hydrogène comme

carburant : le Toyota FCHV-adv et la Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid.

FC Expo 2010


La Premacy Hydrogen RE (Rotary Engine) Hybrid

(figure 23) est un véhicule hybride essence-hydrogène. Elle est

équipée d’un moteur à combustion de conception particulière :

les pistons habituels sont remplacés par une pièce rotative en

forme de triangle arrondi, inspiré du moteur Wankel (figure 22).

Ce moteur brûle indifféremment de l’hydrogène ou de l’essence

ordinaire (le véhicule possède deux réservoirs) pour produire de

l’électricité. Il entraîne un générateur qui recharge la batterie Li-

ion, ou alimente directement un moteur électrique d’une

puissance de 110 kW chargé de la mise en mouvement du

véhicule. Le véhicule peut parcourir 200 km en mode de fonctionnement « tout hydrogène »

(réservoir de 150 pressurisé à 35 MPa), 550 km en mode « tout essence » (réservoir de 25

).

Figure 23 : la Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid

Le Toyota FCHV-adv (figure 24) est un véhicule à hydrogène plus classique : il est

équipé d’une pile à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell –

Pile à Combustible à Membrane d’Echange de Protons), d’un moteur électrique à aimant

permanent (90 kW), et d’une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH). Le moteur est soit

alimenté par la pile seule (vitesse de croisière), soit par la batterie seule (vitesse lente) soit

par les deux en même temps (forte accélération). En cas de freinage, l’énergie cinétique est

convertie en électricité stockée dans la batterie. L’hydrogène est stocké sous forme de gaz à

une pression de 70 MPa. Le réservoir de 156 a permis au véhicule de parcourir 830 km

(selon les normes du cycle de tests japonais 10-15).

Figure 22 : vue d’artiste du moteur de la Mazda Premacy

Hydrogen RE Hybrid

FC Expo 2010


Figure 24 : toyota FCHV-adv

La société Tatsuno Mechatronics a présenté un modèle

de distributeur d’hydrogène pour station service (figure 25). Ce

serait le premier modèle au Japon destiné à un usage

commercial. Relié à un réservoir de stockage à 80 MPa, il

délivre de l’hydrogène pressurisé à 35 MPa et 70 MPa (les deux

pressions de stockage habituelles des véhicules du projet JHFC).

D’autres sociétés, telles que Japan Air Gases et Tokiko

ont également présenté leurs distributeurs.

Pour finir avec les véhicules, Iwatani a

présenté un vélo équipé d’une pile à combustible

de 60 W (PEMFC – figure 26). Située sur le porte-

bagage, elle charge une batterie Li-ion qui alimente

un moteur qui assiste le cycliste dans son effort.

Une cartouche de 0,25 pesant 750 g et stockant 7

g d’hydrogène, permet de parcourir 45 km (soit 3

heures de fonctionnement). Le poids total du

bicycle est de 31 kg.

Figure 25 : distributeur d’hydrogène de la société Tatsuno Mechatronics

Figure 26 : vélo à hydrogène d’Iwatani

FC Expo 2010


L’hydrogène à la maison

De nombreuses compagnies ont développé des solutions pour produire de l’électricité

dans les habitations à partir de l’hydrogène. Deux technologies sont actuellement

employées : les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – Pile à Combustible à

Membrane d’Echange de Protons) et les SOFC (Solid Oxide Fuel Cell – Pile à Combustible à

Oxyde Solide). Quelque soit la technologie, le principe est le même. Les systèmes sont

composés de deux unités (voir figure 27) : l’une contient la pile à combustible qui produit de

l’électricité, l’autre récupère la chaleur émise lors du fonctionnement de la pile pour produire

de l’eau chaude.

Figure 27 : principe des piles à combustible pour les habitations

En 2008, 12 compagnies japonaises

(Idemitsu, Iwatani, ENEOS Cell Tech, Osaka Gas,

Cosmo, Japan Energy, Showa Shell, ENEOS,

Tokyo Gas, Toshiba, Toho Gas et Panasonic) se

sont regroupées en une association, la Fuel Cell

Association (FCA), pour mettre en commun leurs

résultats de recherche. En 2009, pour la première

fois au monde, l’association lançait la

commercialisation de l’ENE-FARM (Energy Farm),

un système de cogénération équipé d’une pile à

combustible et décliné sous les différentes

marques de l’association (figure 28).

brû

leur d

e s

ecours

réservoir d’eau

chaude

distributeur d’air

pile à combustible

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on

dule

ur

récupérateur de chaleur

gaz naturel air

hydrogène

électricitéchaleur

eau chaude

Figure 28 : ENE FARM de Tokyo Gas

FC Expo 2010


L’ENE-FARM dispose d’une pile à combustible de type PEMFC alimentée par du gaz

naturel qui est reformé pour donner de l’hydrogène. Le système peut fournir 1 kW de

puissance électrique et 1,4 kW de chaleur.

L’unité contenant la pile à combustible mesure 78 cm sur 40 cm pour une hauteur de

86 cm ; l’autre unité 75 cm sur 48 cm pour une hauteur de 188,3 cm. Le prix de l’équipement

(Tokyo Gas), de 3 465 000 yens (27 720 euros), est assez cher mais les Japonais peuvent

néanmoins bénéficier d’une subvention de 1 400 000 yens (11 200 euros).

D’autres compagnies ont développé des appareils disposant de piles de type SOFC

(figure 29). Elles sont regroupées autour d’un projet, le SOFC Project, lancé en 2007 par la

New Energy Foundation grâce à des financements de la NEDO.

Alimentées également en gaz naturel, les SOFC ont un rendement supérieur à celui

des PEMFC (45% à 55% contre 35% à 45%). Elles ont cependant une température de

fonctionnement bien plus élevée (700°C à 1000°C contre 70°C à 90°C). Elles ne sont pas

encore commercialisées. Toutefois, de nombreux constructeurs ont présenté leur modèle,

tous d’une puissance de 700 W.

Figure 29 : différents modèles de SOFC pour les habitations

L’hydrogène pour les appareils nomades

Plusieurs compagnies ont développé des piles à combustible pour recharger des

appareils nomades. Fin 2009, Toshiba fut le premier à en commercialiser une, de type

DMFC (Direct-Methanol Fuel Cell – Pile à Combustible à Méthanol Direct), sous le nom de

Dynario. Les DMFC sont des piles de type PEMFC mais qui utilisent du méthanol comme

carburant au lieu de l’hydrogène. Sur le salon, Fujikura a présenté son propre modèle. D’une

forme parallélépipédique, d’une longueur de 150 mm, d’une largeur de 90 mm et d’une

hauteur de 35 mm, le produit de Fujikura fournit une puissance de 4 W et permet de charger

une batterie de téléphone ou d’ordinateur portables.

Battery Japan


Battery Japan

231 exposants provenant de 14 pays se

sont rassemblés lors de ce premier Salon

International de la Batterie Rechargeable qui a

laissé une grande place à la batterie lithium ion.

Que ce soit pour les satellites (figure 30), les

avions, l’automobile, l’industrie, ou les appareils

électriques portables, les applications de cette

dernière sont en effet multiples. Toutefois, ce fort

engouement des industriels pour cette technologie

n’occulte pas pour autant les autres solutions de

stockage existantes : le nickel-hydrure métallique

(NiMH), le lithium polymère ou encore le vanadium.

Les batteries Li-ion

Une batterie lithium ion fonctionne par échange d’ions lithium entre deux électrodes.

Elle possède l’avantage d’avoir une forte densité énergétique et de n’avoir aucun effet

mémoire.

Parmi les technologies intéressantes

présentées sur le salon, on pourra citer la batterie

de PUES Corporation. Il s’agit d’une unité de 215

mm sur 174,5 mm pour une épaisseur de 15,5 mm.

D’un poids de 720 g, elle affiche une densité

énergétique de 100 Wh/kg et une puissance de

sortie de 1 000 W/kg. Elle a une capacité de 72 Wh

(20 Ah – 3,6 V). Il est possible de connecter en série (sans câble) jusqu’à 192 unités pour

obtenir une batterie de 13,5 kWh (690 V).

On notera également la batterie de la taille d’une pièce de monnaie, la CLB2032

(CLB pour Coin type Lithium rechargeable Battery) présentée par Maxell. D’un diamètre de

20 mm et d’une épaisseur de 3,2 mm, elle ne pèse que 3,2 g. Sa capacité est de 70 mAh

qu’elle conserve à 80% au bout de 500 cycles. Elle peut fonctionner à des températures

comprises entre -20°C et 60°C.

Figure 30 : batteries Li-ion de GS Yuasa pour satellites

Figure 31 : unité constituée de 95 cellules PUES connectées en série

Battery Japan


La société Seiko Electric a présenté une batterie destinée aux habitations. D’une

capacité de 9,36 kWh, elle délivre du courant alternatif de 200 V ou 100 V à 50 Hz ou 60 Hz.

Elle peut servir pour stocker l’énergie produite par des panneaux photovoltaïques ou par des

piles à combustible. Elle fournit également du courant en cas de panne du réseau de

distribution à la suite d’un typhon ou d’autres catastrophes naturelles. A titre d’exemple, si la

batterie dispose de 5 kWh, elle peut alimenter en électricité un réfrigérateur et une télévision

de 200 W chacun, ainsi qu’un éclairage de 100 W pendant 10 heures.

Plusieurs constructeurs ont développé des batteries lithium-ion de grosses capacités,

facilement transportables. Elles peuvent alimenter les appareils électriques en extérieur, sur

un chantier ou lors d’un événement culturel par exemple. Ainsi, la compagnie d’électricité

Kyushu Electric Power a exposé trois modèles transportables : une batterie de 6 kWh (955

mm x 550 mm x 850 mm – 3 kW – 100 V alternatif), une de 1 kWh (454 mm x 240 mm x 454

mm – 600 W – 100 V alternatif) et une de 800 Wh (440 mm x 240 mm x 290 mm – 150 W –

12 V continu). Autre exemple, la société Eliiy Power a présenté ses batteries de 2 kWh et de

1 kWh montées sur chariot.

La société Eliiy Power a été créée à partir

des résultats obtenus dans le cadre du projet Eliica.

Ce dernier, dirigé par le professeur SHIMIZU de

l’Université Keio, porte sur le développement d’une

voiture électrique (figure 32) dont la vitesse

maximale atteind les 370 km/h. Eliiy Power assure

le développement des batteries Li-ion initialement

conçues pour cette voiture. Elle a conçu une cellule de base de

petite taille (43,5 mm x 107,5 mm x 103,5 mm) d’une densité

énergétique de 100 Wh/kg et d’une capacité de 125 Wh.

Plusieurs cellules peuvent être assemblées en modules de

différentes tailles. Le plus important présenté sur le stand de la

compagnie regroupe 80 cellules pour une capacité totale de 10

kWh (unité destinée au stockage de l’électricité produite par des

panneaux photovoltaïques). Par ailleurs, en associant un

panneau solaire à un module de 40 cellules, la compagnie a

développé une station de recharge pour les véhicules

électriques (figure 33).

Figure 32 : le prototype Eliica

Figure 33 : station de charge de batteries de véhicule

(Eliiy Power)

Battery Japan


Notons enfin la batterie Li-ion à électrolyte solide d’Idemitsu Kosan (figure 34).

L’habituel électrolyte liquide organique des batteries Li-ion a été remplacé par du sulfate de

lithium, composé inorganique. Ce dernier présente une conductivité des ions lithium

comparable à celle des électrolytes organiques et une bonne stabilité thermique (jusqu’à

400°C). L’accumulateur ainsi constitué est plus sûr (non inflammabilité, pas de surpression

due à l’éventuelle vaporisation de l’électrolyte). Le modèle présenté au salon était équipé

des mêmes électrodes que sa version avec un électrolyte liquide. Néanmoins, le nouvel

électrolyte autorise l’emploi de soufre sur les électrodes : avec une cathode à base de soufre

et une électrode à base de lithium, les chercheurs estiment que la densité énergétique de la

batterie pourrait atteindre les 500 Wh/kg voire 700 Wh/kg. Les caractéristiques de la batterie

exposée au salon, de la taille d’une feuille A6 (105 mm x 148 mm), n’étaient pas précisées.

La compagnie prévoit une commercialisation en 2012.

Figure 34 : batterie Li-ion à électrolyte solide d’Idemitsu Kosan

Les batteries Li-polymère

Les batteries lithium polymère ont un fonctionnement similaire à celui des batteries

lithium ion mais, comme leur nom l’indique, elles se caractérisent par un électrolyte en

polymère. Le Mie Industry Enterprise Support Center (MIESC) a présenté un accumulateur

de ce type fabriqué entièrement par des procédés d'impression (figure 35). Intitulée U&G

Battery (Ubiquitous and Green Battery), elle est le fruit de la collaboration entre l'Université

de Mie, le Mie Prefecture Industrial Research Institute, le Suzuka National College of

Technology et des industriels (Kinseimatec, Kureha Elastomer, Shinkobe Electric Machinery,

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Toppan et Meisei Chemical Work). Fine, flexible et de grande surface, elle serait « sûre »

selon le MIESC.

La batterie est constituée de trois couches

assemblées par un procédé de roll-to-roll

(technique d'impression sur un substrat flexible) :

les deux électrodes et l'électrolyte. La cathode est

principalement composée de phosphate de

lithium-fer (LiFePO4) et de carbone, l'anode

d'oxyde de lithium-titane (Li4Ti5O12), de graphite et

de silicium. L'électrolyte est un polymère solide

(et non à l'état de gel) à base d'oxyde de

polyéthylène réticulé (appelé aussi polyéthylène glycol). Sa solidité a permis l'élimination des

séparateurs habituellement insérés entre les électrodes et l'électrolyte.

Le prototype a une épaisseur de 450 microns. Sa capacité initiale est de 45 mAh

(valeur qui, selon le MIESC, peut être améliorée en optimisant la composition des matériaux

qui constituent les électrodes). Sa tension de fonctionnement est de 1,8 V. La forte

conductivité ionique du polymère, y compris à basse température, rend possible une

utilisation entre 0°C et 25°C, alors que d'ordinaire, une batterie lithium-polymère solide ne

peut pas fonctionner à température ambiante.

Une autre technologie couramment utilisée : le NiMH

Une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH) est un accumulateur mettant en jeu

une réaction entre l'oxyhydroxyde de nickel et l’hydrure de nickel-lanthane. Elle est moins

performante qu’une batterie lithium-ion mais est beaucoup plus sure en cas de surchauffe.

Elle est également plus résistante aux charges et décharges rapides.

On retiendra comme exemple la Gigacell de

Kawasaki dont la photo et le schéma de principe

sont reportés sur les figures 36 et 37. La

compagnie a développé toute une gamme

d’accumulateurs aux caractéristiques adaptées à

diverses utilisations : voiture électrique, tramway

sans caténaire, réseau électrique des voies ferrées,

lissage de la production d’électricité d’origine

photovoltaïque ou éolienne.

Figure 35 : U&G Batteries présentées par le MIESC

Figure 36 : Gigacell de Kawasaki (1234x126x237 mm / 1,8 kWh / 21 Wh/kg)

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Chaque batterie a une forme parallélépipédique et contient plusieurs cellules. Ces

dernières sont constituées d’une alternance de feuillets qui constituent les électrodes. Cette

structure permet un meilleur refroidissement par le ventilateur qui équipe les batteries, ce qui

autorise des charges et décharges rapides. L’assemblage est réalisé sans soudure, ce qui

facilite le recyclage de la batterie.

Figure 37 : structure de Gigacell

Les produits proposés ont une capacité de 1,8 kWh à 2,1 kWh et une densité

d’énergie de 17 Wh/kg à 31 Wh/kg et délivrent une tension de 12 V à 36 V.

La batterie à flux

La société Zena system a présenté un type de batterie peu utilisé jusqu’à présent : la

batterie à flux (représentée sur la figure 38). La liquid battery ZV, c’est son nom, utilise deux

couples d’oxydo-réduction du vanadium : (V5+ / V4+) et (V3+ / V2+). La réaction générale est :

V4+ + V3+ V5+ + V2+

Cette batterie a pour originalité de stocker l’énergie électrique directement dans

l’électrolyte. Plus précisément, chacune des électrodes est constituée d’un électrolyte

conservé dans un réservoir. Lors de la charge et de la décharge, des pompes mettent en

circulation ces électrolytes qui s’échangent des protons via une membrane.

La compagnie peut fabriquer des batteries de différentes tailles, dont la capacité est

comprise entre 0,5 kWh et 100 MWh. Le grand avantage de ces batteries est qu’elles ne

perdent pas la charge quand elles ne sont pas utilisées. Ces batteries sont destinées

principalement au stockage de l’énergie électrique produite par des systèmes

une cellule

électrode positive (oxyhydroxyde de nickel)

électrode négative (hydrure de nickel-lanthane)

dispositif de dispersion de la chaleur

séparateur

ventilateur

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photovoltaïques, éoliens, hydrauliques, etc. Il est possible de transporter les réservoirs

d’électrolyte d’un lieu de production de l’électricité vers un lieu de consommation.

Figure 38 : principe d’une batterie à flux

convertisseur de courant continu / alternatif

V5+

V4+ V3+

V2+

générateur charge décharge charge

H+

réservoir V

5+ / V

4+

réservoir V

3+ / V

2+

pompe pompe

Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo,

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