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).

1. www.cnrs-imn.fr
Le stockage de l’énergie… … l’un des challenges de l’IMN
Annie Le Gal La Salle - Septembre 2014

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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…

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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. Aval
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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. Photobatterie:
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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
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

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Part de la consommation énergétique
liée au transport
Réchauffement climatique (CO2)
Ressources limitées en énergies fossiles
Equipe ST2E :
des objectifs …

8. Et des collaborations…
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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

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On développe une technologie…
en fonction d’un besoin!
Recherches variées? Stockage =
…différentes échelles de puissance…

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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)

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Stockage =
…des réponses identifiées…
Pacemaker (Li)
Micropompe à insuline (Li)
Start & Stop,
récupération énergie freinage,
Supercondensateur

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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. Des recherches complémentaires… qui répondent à des besoins différents!
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Puissance instantanée
#
Energie long terme, autonomie

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. Activité Batteries Li (36/55 dans ST2E):
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- 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. 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. Activité Piles à Combustible
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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. 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

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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

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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
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

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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

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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. Solutions de traitement du gaz
•Gaz chaud
•Gaz froid Améliorations de la pile Elargissement des conditions d’utilisation selon résultats…
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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

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Validation
gas Circulation
Temperature profile
Gas composition
Tars rate
Avancement du Projet

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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…

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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

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Projet MYRTE (Mission hYdrogène Renouvelable pour l’Intégration au Réseau Electrique)