140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie

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Travaux de recherche de l'Instititut des Matériaux Jean Rouxel / CNRS à Nantes. Etat de la recherche sur les différentes formes de stockage couvrant les photobatteries, supercondensateurs, électrolyseurs, piles à combustibles et les projets du territoire (ValorPAC / Intégration d’une pile à combustible dans une chaîne de valorisation de déchets avec gazéification).

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140930 Présentation IMN groupe stockage d'energie

  1. 1. www.cnrs-imn.fr Le stockage de l’énergie… … l’un des challenges de l’IMN Annie Le Gal La Salle - Septembre 2014
  2. 2. 2 L’Institut des Matériaux Jean Rouxel CNRS – Université de Nantes Recherche fondamentale et appliquée dédiée à la science des matériaux: 130 + 90 chercheurs sur 2 sites (Michelet/Chantrerie): PMN : Physique des Matériaux et Nanostructure PCM : Plasmas et Couches Minces ID2M : Ingénierie des Matériaux et Métallurgie MIOPS : Matériaux Innovants pour l'Optique et le Stockage CESES : Conversion et Stockage de l'Energie Solaire ST2E : Stockage et Transformation Electrochimique de l'Energie + collaborations…
  3. 3. 3 Equipe CESES : des objectifs et des collaborations 11 Permanents : 3 Chercheurs CNRS, 8 Enseignants-Chercheurs 15 Non permanents : 1 Ingénieur, 4 Post-Doc, 10 Thésards Objectifs : i) Réduire le coût de production du Watt-crête photovoltaïque, ii) Améliorer les rendements, Photovoltaïque : -CIGS (IMN-CESES/44Solar/Wysips, IMN/PCM/Crosslux) -Cellules solaires hybrides (OPV) (IMN-CESES/CEA-INES/Armor/PCAS) -Cellules à bandes intermédiaires (MiB)) (IMN/CESES-PMN, Nantes; LΦA, Angers), Nano-OxTi (IMN-CESES/PCAS) -iii) Convertir et stocker l’énergie solaire. Photobatterie : Nouveau dispositif permettant la conversion et le stockage de l’énergie solaire (IMN/CESES-ST2E/Armor)
  4. 4. Aval 4 Du matériau “avancé” au transfert technologique Validation de concepts Nouvelle génération de capteurs Matériaux avancés Morphologies ou propriétés structurales différentes sols et gels photosensibles (complexes de Ti) (Synthese, propriétés optiques, avec composés du Ti or perovskite)  Tests, Faisabilité et transfert technologique Scale-Up Materials (IMN/CESES, LIMATB, FIST-CNRS) Solutions pour imprimantes jet d’encre (ARDEJE Valence)  Prototypes, Design & Process Cellules solaires hybrides (CEA-INES, ARMOR, PCAS…) (p- and n-type, synthèses et solutions pour films) 10X10 cm2, 7 ans 12 à 24% en 40 ans (32%) 4 à 15.7% en 5 ans! (>50%) M. Richard-Plouet L. Brohan Amont Pourquoi?
  5. 5. Photobatterie: 5 Architecture de la photobatterie (thèse G. Guignard, sept 2014) WP3 : Conductive (Metal or Carbon) Grid (IETR, IMN/PCM, ARMOR) TCO LFA Polymer/glass WP1 : Active Layers IMN/CESES, IM2NP, IETR, ARMOR WP4 : Membrane IMN/PMN-CESES (+) (-) Active Layer Active Layer …un assemblage complexe! …plusieurs partenaires... encore “amont”
  6. 6. 6 Equipe ST2E Supercapaciitors T. Brousse HT Fuell celllls and ellectrollysers O. Joubert Liithiium batteriies D. Guyomard Associate: B. Lestriez Spectroscopiies Siimullatiions P. Moreau Batteries Lithium Piles à Combustible Electrolyseurs Supercondensateurs
  7. 7. 7 Part de la consommation énergétique liée au transport Réchauffement climatique (CO2) Ressources limitées en énergies fossiles Equipe ST2E : des objectifs …
  8. 8. Et des collaborations… 8 Regional : - PERLE2 (4 PhDs) National : - IA : Labex Store-ex, Tours 2015 - ANRs : - 9 on-going : Calice (Stock-E), BaSilic (Blanc Internat), Icares & Slim & Isicap (Blanc), Graph’n’Stock & Alise & Flexcap (Progelec), Mecanano (Astrid) - 9 applied in 2013 - ADEME : Valorpac (Titec) - CEA-LITEN, CEA-INAC, DGA - RS2E European : - Alistore-ERI - Euroliion, Baccara (Interface), Roxsolidcell (Eurostar) - Poznan Institute of Technology International : - INRS & UQAM Canada, TIT Japan, Univ. Newcastle Australia, Yamaguchi Univ. Japan, Yonsei Univ. Korea Industrial : BatScap (1997-2013)  LMP techno - BatScap (2), STMicro, Renault (2), Solvay, Hutchinson, Thales, Solvionics, SAFT - Umicore, Bathium, Metafoam, FPInnovation - Fiaxell, S3D, Syngas
  9. 9. 9 On développe une technologie… en fonction d’un besoin! Recherches variées? Stockage = …différentes échelles de puissance…
  10. 10. 10 Micro-cogénération domestique (1kW) SOFC Ensemble de batteries Na-S 350°C Stockage = …des réponses différentes… Unité de stockage d’électricité: 10MW, 60MWh (Hitachi au Japon)
  11. 11. 11 Stockage = …des réponses identifiées… Pacemaker (Li) Micropompe à insuline (Li) Start & Stop, récupération énergie freinage, Supercondensateur
  12. 12. 12 Stockage = …des réponses en évolution? Renault Twizy, Li-ion (ville) Honda FCX Clarity, PEMFC, Perceuse, Supercondensateur PAC 1 mois d’autonomie Aujourd’hui… Demain…
  13. 13. Des recherches complémentaires… qui répondent à des besoins différents! 13 Puissance instantanée # Energie long terme, autonomie
  14. 14. Activité Supercondensateurs: 14 - Recherche au coeur du matériau (capas x2): Carbones activés - Nouveaux dispositifs (bas coût, environnement) O H O H O O + 2 H + + 2 e - L. Athouël O. Crosnier T. Brousse Système hybride (asymétrique) Carbone/K2SO4/MnO2 pour remplacement de batterie Pb/PbO2. - Nouvelles techniques (-calorimetrie, modelisation) P. Guillemet O. Crosnier  Métrologie et modélisation électrothermique  Modélisation multiéchelles (micro au macro) Amont Aval
  15. 15. Activité Batteries Li (36/55 dans ST2E): 15 - Na insertion - Batteries tout organiques et renouvelables - Batteries à électrolyte liquide ionique -…. - Process: SAFT, Renault, Batscap, … F. Boucher, P. Moreau, J. Gaubicher P. Poizot J. Le Bideau Amont Aval
  16. 16. Activité Spectroscopies-Simulations: Techniques de caractérisation pour tous matériaux (Li, SOFC, nano-w, RRAM) RMN, diffraction, méthodes spectroscopiques variées: …de surface, de coeur, cartographies lourdes… mais utiles: Fonctionnement, Mise en évidence de défauts, vieillissement,… F. Boucher, P. Moreau, N. Dupré, G. Ouvrard N. Barreau Nathalie. Barreau@capacites.fr
  17. 17. Activité Piles à Combustible 17 Electrolyte Air Cathode H2 O2- e- e- Anode O2 + 4 e- → 2O2- 2H2 + 2O2- → 2H2O + 4 e- chaleur SOFC: HF Electrolyseurs Autres types de PAC O. Joubert, E. Quarez, P. Leone, A. Le Gal La Salle Electrolyte céramique conducteur O2- et/ou H+ Nouvelles électrodes composites (metal/electrolyte) ou conductrices mixtes ioniques/Electroniques Mise en forme de cellules & tests avec nouveaux combustibles
  18. 18. L’hydrogène, pertinent: 18 VE (H2:  500/600 km, 3 min): construction japonaise (Hundaï), 77 stations en Californie … (3 immatriculations françaises de véhicules…!): H2 pertinent (/CO2) France: protos: MobyPost (Franche Comté), 50km cycle postal, Mobilhytest (Kangoo Renault VE, avec autonomie  à 80 km avec PAC), navires liaison Brest-Molène (PAC de 160 kW avec cogéné) micro-cogénération: 70 000 jusqu’en 2013, 50 000 en 2014 (coûts réduits de 60% en 4 ans!)  applications nomades: percuteurs bic, capteurs sismiques WH2, chariots élévateurs (Coca Cola et IKEA!) ….. vraie politique de stockage : gestion des renouvelables  sources de H2 de demain diversifiées: biomasse
  19. 19. 19 TITEC : Transfert pré-Industriel et Tests En Conditions réelles - Hydrogène et piles à combustible. Objectifs : permettre de financer de nouveaux démonstrateurs préindutriels. Programme TITEC-ADEME : VALORPAC (09/2012-09/2015) Intégration d’une pile à combustible dans une chaîne de valorisation de déchets
  20. 20. 20 Principe du Projet Air Stockage du Combustible Résidus 5 à 10 % (Cendres, coke, etc.) Combustible 100% Gazéifieur Unité de Cogénération par Gazéification couplée à une pile SOFC SOFC 700-800°C Air Exhaust gas Cold Water Hot Water Electricité 40 à 50 % Echangeur Thermique Syngas : H2, CO Système de traitement du syngaz Syngas + impuretés  Prouver le fonctionnement !
  21. 21. 21 Partenaires Modelisation (gazogène), fours, échanges de chaleur Conception du gazogène, fourniture de gaz, tests de cellules sous syngaz Fourniture de demi-cellules et de cellules complètes Synthèse de matériaux, étude du fonctionnement des cellules sous syngaz
  22. 22. 22 Les phases du Projet  3 modules : MODULE 1 Production de gaz MODULE 2 Valorisation du gaz et production d’électricité MODULE 3 Traitement du gaz / Amélioration SOFC Gazogène: Bois => Syngaz => CO + H2 Conception/fabrication d’un pilote semi-industriel •Gazéification: process breveté par S3d •  composition “idéale” pour SOFC •N2/H2/CO/CO2/CH4 ,(45/15/15/10/<3), peu de goudrons… # des gaz issus de méthanisation
  23. 23. 23 Les phases du Projet  3 modules : MODULE Production de gaz MODULE 2 Valorisation du gaz et production d’électricité Tests de labo : Gaz reconstitués => Electricité N2, H2, CO, CO2, CH4, autres U, I, P, ASR •Effet des composants du gaz •Limite de tolérance des •contaminants •(goudrons, sulfures, chlorures) MODULE 3 Traitement du gaz / Amélioration SOFC
  24. 24. Solutions de traitement du gaz •Gaz chaud •Gaz froid Améliorations de la pile Elargissement des conditions d’utilisation selon résultats… 24 Les phases du Projet  3 modules : MODULE 1 Production de gaz MODULE 2 Valorisation du gaz et production d’électricité MODULE 3 Traitement du gaz / Amélioration SOFC
  25. 25. 25 Validation gas Circulation Temperature profile Gas composition Tars rate Avancement du Projet
  26. 26. 26 Influence de H2S et autres polluants en cours Vieillissement Traitement des gaz MOULE 2 Production d’électricité Avancement du Projet MODULE 3 Traitement du gaz Orientation des études: - lien avec agro-alimentaire, secteur énergivore en PdL, - lien avec la filière bois…
  27. 27. 27 Une conclusion? IMN = partenaire: www.cnrs-imn.fr VALORPAC: Synergie CNRS PME innovantes … féconde et prometteuse…  Alors, en route pour … Oser les projets, expliquer les potentialités de la filière H2  Rôle de la Région? OUI! Faire évoluer les freins législatifs et autres…  Rôle de la Région? OUI! Suivre une route définie (distribution), mettre en lien les partenaires, étudier la faisabilité « humaine »  Rôle de la Région? OUI! + que financements/évaluation scientifique, …PERLE? EMR?... Merci de votre attention! annie.legal@cnrs-imn.fr
  28. 28. 28 Projet MYRTE (Mission hYdrogène Renouvelable pour l’Intégration au Réseau Electrique)

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