Contribution du CEA en matière de stockage d’énergie et de solutions de flexibilité

Par Thierry Priem, Direction scientifique NTE

Le CEA travaille sur l’ensemble des solutions de flexibilité nécessaires à l’équilibre de réseaux énergétiques. Il inclut les systèmes de stockage par voie électrochimique et par voie chimique, en particulier à travers le vecteur hydrogène, avec des applications dans les batteries, les piles à combustible et les électrolyseurs.
Les activités sur les batteries concernent les usages stationnaires et la mobilité.
Les travaux sur le vecteur hydrogène portent sur la filière complète : production (électrolyse), stockage (gaz comprimé, voie solide, voie liquide), transport de l’hydrogène, et conversion pour différents usages (mobilité hydrogène, hydrogène industriel, combustible).
Les activités couvrent le développement des technologies, du matériau au composant ; leur intégration dans des systèmes, leurs tests en conditions quasi-réelles, voire réelles (instrumentation de véhicules). Les composants sont également testés en conditions abusives afin de qualifier les risques potentiels en fonctionnement inhabituel, et pouvoir développer des méthodes de prévention. Enfin, les solutions d’hybridation entre différentes solutions de stockage (couplage batterie et pile à combustible, power to X) sont aussi étudiées pour des usages mobilité, stationnaire ou gestion des réseaux d’énergie).

Le CEA s’intéresse à l’intégralité de la chaine de la valeur des filières batteries, hydrogène et piles à combustible, à savoir :

• Les matériaux et composants de base (matériaux d’électrodes et électrolytes pour batteries, cœurs électrochimiques pour électrolyseurs et piles à combustible)
• Les technologies de fabrication de cellules électrochimiques (batteries, électrolyseurs et piles à combustible)
• Leur intégration système à différents niveaux (modules, packs, systèmes intégrés) en intégrant des développements sur les composants système (BOP, Balance of Plant) afin de répondre aux problématiques économiques, de rendement global, de durabilité, de gestion thermique, de sécurité et d’économie circulaire (écoconception, recyclage)
• L’hybridation et l’intégration des briques technologiques dans des systèmes énergétiques complexes (véhicules électriques, réseaux énergétiques, en particulier, Power to X…) et suivi du monitoring et du retour d’expérience.

Structuration des activités Stockage et solutions de flexibilité au sein du CEA

Pour soutenir cette activité de R&D, le CEA organise ses développements selon un « triptyque vertueux » : conception et réalisation, test et caractérisation, modélisation et simulation.
Elles couvrent une large gamme de TRL depuis la validation de concepts innovants (TRL2) jusqu’aux démonstrateurs en conditions réelle d’usage (TRL6), voire le transfert de technologies chez nos partenaires industriels (TRL7).

Exemple de triptyque vertueux pour les activités R&D CEA de la filière hydrogène

Le programme Hydrogène et piles à combustible
Le CEA travaille sur l’ensemble de la chaine de la valeur de la filière hydrogène : production, stockage, transport, conversion.

Activités hydrogène du CEA

Le CEA a privilégié la voie de l’électrolyse haute température de la vapeur d’eau pour la partie production d’hydrogène bas carbone. En optimisant les systèmes, le CEA a établi que cette technologie pouvait, d’ici 2030, fournir un hydrogène à moins de 2 €/kg ce qui la rend plus compétitive que les autres technologies bas carbone comme par exemple l’électrolyse alcaline sous réserve de bénéficier de chaleur fatale qui permet de réduire la consommation d’électricité.
Le CEA maîtrise aujourd’hui cette technologie à l’échelle de quelques kilowatts. La feuille de route poursuit un double objectif :

• Monter en maturité technologique dans le cadre de la co-entreprise baptisée GENVIA avec comme actionnaires majoritaires le CEA et Schlumberger, complétés d’une contribution minoritaire de VINCI Entrepose, VICAT et l’AREC. L’enjeu est de réussir l’industrialisation de la technologie sur la base de démonstrateurs de plusieurs centaines de kW à l’horizon 2023, préfigurant une future production industrielle d’unités de l’ordre du MW au-delà de 2024 ;
• Mener des études de R&D en vue d’augmenter la puissance des cellules et leur durabilité, et d’optimiser tout le système permettant de les intégrer dans un ensemble fonctionnel.

Activités CEA sur l’électrolyse haute température

Concernant le stockage, le CEA dispose de compétences multiples et travaille sur plusieurs voies, qui doivent toutes contribuer à la sécurité des solutions de stockage :

• le CEA maîtrise de bout en bout la R&D sur les réservoirs haute pression 350-700 bar (conception, simulation, comportement des matériaux) ainsi que les procédés de fabrication et les tests (chute, incendie, éclatement, cyclage de réservoirs aux températures et hygrométrie extrêmes). Elle est ainsi un leader du domaine et lance également des travaux sur les réservoirs de type V (où un seul matériau assure les fonctions d’étanchéité et de structure) ;
• le CEA démarre aussi des études sur une voie de stockage par LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) où l’hydrogène est fixé sur une molécule en voie liquide, stocké, puis déstocké par une réaction catalytique ;
• le CEA, notamment dans le cadre de la sécurisation des transports nucléaires dont le contenu présenterait des risques de production d’hydrogène par radiolyse, a par ailleurs développé des agents de mitigation du risque hydrogène. La possibilité et l’intérêt d’adapter certaines solutions à la question du vecteur H2 doivent être examinés.

Concernant le transport de l’hydrogène, le CEA étudie plus particulièrement les problèmes de fragilisation des aciers de canalisation en présence d’hydrogène. Le CEA mène aussi des études sur les risques associés (explosion, déflagration) à une fuite d’hydrogène en milieux confinés.

Enfin, concernant la conversion, le CEA a fait le choix de la pile à combustible de type PEM (Proton Exchange Membrane) fonctionnant à « basse température » (typiquement 80-110°C). Il maîtrise aujourd’hui une structure de PEM utilisant des plaques bipolaires métalliques qui a fait l’objet de transferts auprès de Symbio et Faurécia. Ces deux partenaires historiques se sont regroupés dans le cadre d’une nouvelle société appelée « Symbio, a Faurecia Michelin Hydrogen Company » co-détenue à parts égales par Michelin, dont Symbio était devenue une filiale, et Faurécia. Cette nouvelle société a annoncé un investissement conséquent pour créer une future usine de fabrication de piles à combustible pour véhicules à hydrogène. Le site choisi fin 2019 se situe dans la métropole de Lyon. Les dirigeants affichent l’ambition de lancer la production en série de piles à combustible de nouvelle génération à destination des marchés européens, chinois et américains. Pour accompagner cette initiative, le CEA travaille prioritairement sur 2 axes : améliorer la durabilité de la PEM en identifiant les mécanismes de vieillissement par une approche mixte simulation-expérimentation, et baisser les coûts en jouant sur de nouveaux procédés de fabrication, notamment issus de l’impression (2D et 3D, procédés maitrisés par le département matériaux du LITEN). Le CEA étudie également l’intégration optimisée de la pile dans son environnement. Dans des perspectives de développement à plus long terme, et afin de contourner les problèmes de ressources en platine, le CEA s’intéresse à des catalyseurs de piles à combustible sans métaux nobles, soit à base de nanotubes de carbone azotés, soit à base d’hydrogénase, par une approche bio-inspirée.
Au-delà de la technologie traditionnelle d’assemblage de stack dite filtre-presse, le CEA développe aussi de nouvelles architectures de pile à combustible, telles la technologie « PrintPac » qui utilise des composants imprimés en lieu et place des traditionnelles plaques bipolaires en tôle emboutie.