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Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo

       Du 3 au 5 mars 2010 se sont déroulés à Tokyo le 3e Salon International d...
Sommaire

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PV Expo 2010



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        PV Expo 2010 a rassemblé 579 exposants provenant de 21 pays. A l’exception
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        Sharp a également exposé des modules en silicium
multicristallin. De forme rectangulaire ou trian...
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        Le silicium amorphe est de plus en plus utilisé dans la fabrication des cellules
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exemple), si bien qu’il était visible chez plusieurs exposants du salon, sous différentes
formes.




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Les cellules à base de composés inorganiques autres que le silicium
       Le silicium est certes le deuxi...
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       Il est à noter que la Tokyo University of Science dit avoir obtenu en laboratoire les
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l’unité (source ou solaire). L’investissement minimum est donc de 200 000 yens (1 600
euros). Le dispositif...
FC Expo 2010



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       La sixième édition du Salon International de l’Hydrogène et des Piles à Combustible a
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       La Premacy Hydrogen RE (Rotary Engine) Hybrid
(figure 23) est un véhicule hybride essence-hydrogène....
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                                   Figure 24 : toyota FCHV-adv



       La société Tatsuno Mechatronics ...
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   L’hydrogène à la maison
       De nombreuses compagnies ont développé des solutions pour produire de l’...
FC Expo 2010


       L’ENE-FARM dispose d’une pile à combustible de type PEMFC alimentée par du gaz
naturel qui est refor...
Battery Japan



Battery Japan
       231 exposants provenant de 14 pays se
sont   rassemblés     lors   de ce     premier...
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        La société Seiko Electric a présenté une batterie destinée aux habitations. D’une
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L’habituel élect...
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Toppan et Meisei Chemical Work). Fine, flexible et de grande surface, elle serait « sûre »
selon le MIESC....
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dernières sont ...
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photovoltaïques, éoliens, hydrauliques, etc. Il est possible de transporter les réservoirs
d’électrolyte d...
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Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo,

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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).

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Les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo,

  1. 1. 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 http://www.ambafrance-jp.org Domaine : énergie Document : rapport d’ambassade Titre : les nouvelles énergies s’exposent à Tokyo Auteurs : Hugues CHATAING (adjoint.ing@ambafrance-jp.org) Pierre DESTRUEL (attache.ing@ambafrance-jp.org) 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). NB : Toutes nos publications sont disponibles auprès de l’Agence pour la Diffusion de l'Information Technologique (ADIT), 2, rue Brûlée, 67 000 STRASBOURG (http://www.adit.fr)
  2. 2. 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. Ambassade de France au Japon, mars 2010 2/26
  3. 3. 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 Ambassade de France au Japon, mars 2010 3/26
  4. 4. 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. Ambassade de France au Japon, mars 2010 4/26
  5. 5. 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 Figure 1 : module triangulaire de Sharp (rendement de 10,1%) 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 Figure 2 : cellule en silicium multicristallin de Mitsubishi et donc augmente la quantité de lumière absorbée. De plus, la Electric face arrière est constituée d’une couche réflectrice qui renvoie la lumière à l’intérieur de la cellule. structure en nid d’abeilles réduction de la réflexion des rayons lumineux électrodes galette de silicium multicristallin réflexion des rayons infra-rouges face arrière réfléchissante Figure 3 : structure de la cellule en silicium multicristallin de Mitsubishi Electric Ambassade de France au Japon, mars 2010 5/26
  6. 6. 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/m²). Plusieurs compagnies l’ont adopté pour concevoir leurs propres produits (figure 4 par Ambassade de France au Japon, mars 2010 6/26
  7. 7. PV Expo 2010 exemple), si bien qu’il était visible chez plusieurs exposants du salon, sous différentes formes. une sous-cellule ITO ITO p p couche supérieure Si amorphe Si amorphe n n 1 m p p couche inférieure SiGe amorphe SiGe amorphe n n métal métal film plastique film plastique 50 m métal métal métal 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 réflecteur et cellule (figure 6) est composée de billes de électrode négative silicium d’un millimètre de diamètre qui silicium n jonction 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 silicium p 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 électrode positive quantité de matériau employée. Figure 6 : structure de base d’une cellule en silicium sphérique Ambassade de France au Japon, mars 2010 7/26
  8. 8. PV Expo 2010 Les sphères de silicium sont gaz inerte fabriquées par un procédé de goutte à goutte (figure 7). Le silicium est fondu dans un creusé en forme d’entonnoir. En chauffage augmentant la pression par injection d’un Si fondu gaz inerte, le silicium est poussé vers le four creuset 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 Si sphérique polycristallin. Les compagnies peuvent tour de chute libre 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/cm² 33,5 mA/cm² 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 Ambassade de France au Japon, mars 2010 8/26
  9. 9. 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 Figure 9 : cellule triple jonction de Sharp (rendement de 35,8%) 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 2 35,8% 3,012 V 12,27 mA/cm² 85,3% 1 cm Tableau 2 : caractéristiques de la cellule triple-jonction de Sharp Ambassade de France au Japon, mars 2010 9/26
  10. 10. 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 Figure 10 : voiture solaire exclusivement consacré aux avantages du CIS par de l’Université Tokai 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 Ambassade de France au Japon, mars 2010 10/26
  11. 11. 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, Figure 11 : cellule à pigments - une couche de dioxyde de titane (TiO2) mésoporeux photosensibles de Fujikura (20 cm x 20 cm) dans laquelle est absorbé le colorant (N719), - l’électrolyte liquide contenant le couple d'oxydants-réducteurs (I- / I3-), - une électrode enrobée de platine. 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 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/cm² 65% 20 cm x 20 cm Tableau 3 : caractéristiques d’une cellule à pigments photosensibles de Fujikura Ambassade de France au Japon, mars 2010 11/26
  12. 12. 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 Figure 13 : cellules organiques de DNP 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%. substrat conducteur transparent couche de transport des trous 100 à 200 nm couche active couche de transport des électrons électrode métallique Figure 14 : structure des cellules organiques de DNP 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 15 : affiche de Toppan Forms équipée d’une cellule photovoltaïque organique (en bas à gauche) Ambassade de France au Japon, mars 2010 12/26
  13. 13. 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. eau froide eau chaude air chaud collecteur de chaleur air tiède air froid échangeur de chaleur module photovoltaïque été Air chauffé air extérieur intersaison été été, intersaison réservoir d’eau intersaison chauffée par l’air chaud hiver hiver hiver intersaison intersaison intersaison été réservoir d’eau chauffée par la pompe à chaleur accumulateur de chaleur (option) pompe à chaleur Figure 16 : principe de l’Eco Sky Roof Ambassade de France au Japon, mars 2010 13/26
  14. 14. 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 Figure 17 : toit solaire de la Toyota Prius 3 ventilation du véhicule. (Kyocera) 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 Figure 18 : chargeurs solaires de Clean Venture 22 050 yens (176,4 euros). 21 pour téléphones et consoles de jeux portables 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 Figure 19 : système solaire portable d’OS 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) Ambassade de France au Japon, mars 2010 14/26
  15. 15. 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 Figure 20 : système commercialisation. photovoltaïque e-pot de Watt Kobe 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 Ambassade de France au Japon, mars 2010 15/26
  16. 16. 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. Ambassade de France au Japon, mars 2010 16/26
  17. 17. 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- Figure 22 : vue d’artiste du ion, ou alimente directement un moteur électrique d’une moteur de la Mazda Premacy puissance de 110 kW chargé de la mise en mouvement du Hydrogen RE Hybrid 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). Ambassade de France au Japon, mars 2010 17/26
  18. 18. 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. Figure 25 : distributeur d’hydrogène de la société Tatsuno Mechatronics 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 26 : vélo à hydrogène d’Iwatani Ambassade de France au Japon, mars 2010 18/26
  19. 19. 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. brûleur de secours gaz naturel air réservoir reformeur d’eau hydrogène chaude pile à distributeur combustible d’air chaleur électricité onduleur récupérateur eau de chaleur 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). Figure 28 : ENE FARM de Tokyo Gas Ambassade de France au Japon, mars 2010 19/26
  20. 20. 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° à 1000° contre 70° à 90° C C C 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. Ambassade de France au Japon, mars 2010 20/26
  21. 21. 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 Figure 30 : batteries Li-ion de GS Yuasa stockage existantes : le nickel-hydrure métallique pour satellites (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 Figure 31 : unité constituée de 95 cellules sortie de 1 000 W/kg. Elle a une capacité de 72 Wh PUES connectées en série (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° et 60° C C. Ambassade de France au Japon, mars 2010 21/26
  22. 22. 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 Figure 32 : le prototype Eliica 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 Figure 33 : station de charge de batteries de véhicule électriques (figure 33). (Eliiy Power) Ambassade de France au Japon, mars 2010 22/26
  23. 23. 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, Ambassade de France au Japon, mars 2010 23/26
  24. 24. Battery Japan 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 Figure 35 : U&G Batteries (et non à l'état de gel) à base d'oxyde de présentées par le MIESC 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° et 25° alors que d'ordinaire, une batterie lithium-polymère solide ne C C, 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, Figure 36 : Gigacell de Kawasaki lissage de la production d’électricité d’origine (1234x126x237 mm / 1,8 kWh / 21 Wh/kg) photovoltaïque ou éolienne. Ambassade de France au Japon, mars 2010 24/26
  25. 25. Battery Japan 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. électrode positive (oxyhydroxyde de nickel) électrode négative (hydrure de nickel-lanthane) dispositif de dispersion de la chaleur séparateur ventilateur une cellule 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 Ambassade de France au Japon, mars 2010 25/26
  26. 26. Battery Japan 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. générateur charge décharge charge convertisseur de courant continu / alternatif V5+ V2+ réservoir + réservoir 5+ 4+ H 3+ 2+ V /V 4+ 3+ V /V V V pompe pompe Figure 38 : principe d’une batterie à flux Ambassade de France au Japon, mars 2010 26/26

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