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05 Fév. 21
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 :
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 :
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 :
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.
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