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Les SOFC comme électrolyseur
GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME ELECTROLYSE HAUTE TEMPERATURE • • • • • Principe de fonctionnement Principaux programmes internationaux Technologie : comparaison EHT/SOFC Bilan actions communes SOFC/SOEC Bilan actions spécifiques SOEC DTE/SCES/LCEC 1 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME PRINCIPE DE L’EHT Electrolyseur SOEC (EHT) Pile SOFC e- eEntrée H2 O Entrée air e- e- H2 e- eEntrée H2 O2 Entrée air H2 O H2 H2 O Sortie H 2 Bilan : • • O2 2- O2- Sortie air Cathode e- e- Electrolyte Anode Sortie H 2O Sortie air Anode 2 e- H2O → H2 + 1/2 O2 Electrolyte Cathode 2 e- H2 + 1/2 O2 → H2O Réaction strictement inverse Conditions semblables (T°, Pression, gaz…) DTE/SCES/LCEC 2 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Différents types d’électrolyseurs 1 Anode oxygène : O 2− → O2 + 2e − 2 Anode dépolarisée : O 2− + combustible → combustible oxydé + 2e − • Intérêts anode dépolarisée – tension électrique – production H2 – Mise en œuvre matériaux – Transition vers anode oxygène DTE/SCES/LCEC • Inconvénients anode dépolarisée – – – – Injection d’un gaz à l’anode Emission gaz à effet de serre craquage déguisé études spécifiques (T°, matériau anode) 3 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Intérêts de la haute température • • • DTE/SCES/LCEC résistances ohmiques cinétiques Wth et We 4 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Points de fonctionnement Part de chaleur apportée (fonctionnement allothermique ou autothermique) Point de fonctionnement autothermique Dornier 1,5 1,4 Autothermique 1,3 Q 1,2 Tension (V) • Allothermique 1,1 1 We 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Densité de courant (A/cm2) Avantages allothermique - meilleur rendement global - plus faible coût énergétique - meilleure utilisation de chaleur haute température DTE/SCES/LCEC Avantages autothermique - mise en œuvre plus simple couplage plus simple (presque inexistant) besoin de chaleur basse température densité de courant élevée 5 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Bilan des types d’électrolyseurs • Anode dépolarisée – très faible consommation électrique – émission gaz à effet de serre • Anode oxygène mode allothermique – meilleur rendement – couplage complexe avec source HT • Anode oxygène mode autothermique – solution plus proche d’une SOFC – rendement plus faible qu’en allothermique DTE/SCES/LCEC 6 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Principaux programmes internationaux • Programmes anciens – Dornier – Westinghouse – JAERI / MHI • Programmes US en cours – LLNL – INEEL – TMI • Divers – Grèce – Risoe DTE/SCES/LCEC 7 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME DORNIER • Programme – SOEC de 1975 à 1985 puis SOFC de 1985 à 1996 – Référence car nombreuses publications • Résultats – caractérisation de cellules élémentaires – études thermodynamiques DTE/SCES/LCEC 8 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME DORNIER (2) • Technologie – tubulaire en série (pour mise en pression) – essai d’un stack 2kW – dessin d’un module 3,5MW • Difficultés – nombre de pièces à assembler – tenue aux cyclages thermiques – coût prohibitif avec technologies de l’époque DTE/SCES/LCEC 9 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Westinghouse • Programme – quelques essais sur SOEC puis développement axé SOFC • Résultats • Technologie : – tubulaire de référence • Difficultés : – coût de mise en œuvre – encombrement – pertes ohmiques DTE/SCES/LCEC 10 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME JAERI / MHI • JAERI – quelques essais sur structure tubulaire en série • Mitsubishi Heavy Industries DTE/SCES/LCEC 11 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Lawrence Livermore National Laboratory • Programme – début vers 1999 – concept : production décentralisée d’hydrogène à partir d’électricité et de méthane – objectif prototype 5 kW en 2006 – solution : électrolyseur à anode dépolarisée • Résultats – stack 4 tubes (100W) – proto 1kW sous pression (2,4 bar) fin 2003 • Technologie DTE/SCES/LCEC 12 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Lawrence Livermore National Laboratory • Technologie : – anode dépolarisée – tubulaire – Difficultés • température de fonctionnement (dépôts Carbone) • matériau anode • étanchéité / mise en série des tubes => développement d’interconnecteurs en cours DTE/SCES/LCEC 13 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Idaho National Engineering and Environmental Laboratory • Programme – début vers 2002 – électrolyseur orienté couplage avec une source haute température (Q=60 à 80 kJ/mol) • Résultats – essais sur cellules unitaires • Technologie – plane issue d ’un programme SOFC en collaboration avec Ceramatec DTE/SCES/LCEC 14 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Technology Management Inc. • Programme – Début en 2000 – Concept : pile réversible pour : • stockage d’énergie sous forme H2 en période creuse • Production d’électricité en période de pic de demande • Résultats – Essais de cellules élémentaires puis de stacks (50 cellules en 2003) – Etudes technico-économiques • Technologie – Plane annulaire issue des recherches SOFC – Difficultés : • Besoin d’augmenter les épaisseurs des électrodes • Besoin d’augmenter les épaisseurs de joints DTE/SCES/LCEC 15 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Divers • Grèce – Electrolyseur réversible semblable à TMI – Etudes technico-économiques associées • Risoe – Recherches sur un électrolyseur produisant du méthane à partir de CO2 et H2O méthane DTE/SCES/LCEC 16 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Bilan programmes internationaux • • • • • • • Activité forte au début des années 90 Peu de publications actuellement (beaucoup moins que SOFC) Relance récente aux US Acteurs = acteurs SOFC Applications diverses Architectures variées Nombreux progrès nécessaires DTE/SCES/LCEC 17 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Similitudes et différences entre technologies SOFC et SOEC • • • • • • Matériaux Thermique Mécanique Gestion des gaz / étanchéité Isolations et contacts électriques Fonctionnement DTE/SCES/LCEC 18 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Matériaux • SOFC – Recherche matériaux basse température (700°C) – Couches très minces ( pertes ohmiques) – Modes d’élaboration peu chers V • SOEC – Mêmes matériaux fonctionnent – Mais • Courant moins ‘naturel’ dans l’électrolyte • Vieillissement accéléré ? • Cas anode dépolarisée DTE/SCES/LCEC Mode SOFC Mode SOEC j 0 19 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Thermique • SOFC – Besoin de cartes thermiques homogènes sinon rupture mécanique et réactions inhomogènes – Solutions: • Alimentation en co-courant • Préchauffage des gaz • SOEC – Autothermique : chauffage homogène dans l’ensemble du SOEC – Allothermique : • Besoin d’apport extérieur de chaleur en cœur de SOEC – préchauffage des gaz ? – chauffage de la structure ? – Rayonnement ? • Génération de forts gradients thermiques DTE/SCES/LCEC 20 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Mécanique • SOFC – Thermique • Gradients thermiques • Dilatations différentielles • Cyclages thermiques – Corrosion (interconnecteur) • SOEC – Idem – Cyclages thermiques plus ‘contrôlables’ DTE/SCES/LCEC 21 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Gestion des gaz / étanchéité • SOFC – – – – 2 gaz en entrée et souvent 1 seule sortie pour combustion des gaz usés Principal problème = perte d’étanchéité par cyclage thermique Joints verre ou céramique ou métallique pas satisfaisante Solution sans joint : Westinghouse • SOEC – 2 entrées + 2 sorties ! – Etanchéités plus draconiennes – Effet de la pression DTE/SCES/LCEC 22 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Isolations et contacts électriques • SOFC – Besoin de bons contacts électriques (corrosion) – Difficulté à gérer les fortes intensités • SOEC – Idem contacts électriques – Apport électrique plus simple que pour SOFC DTE/SCES/LCEC 23 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Bilan par type d’électrolyseur Points positifs Points négatifs Anode dépolarisée - Mise en œuvre des matériaux - Etanchéités - Coût anode - Consommation de méthane - Matériau anode à développer - Développements utiles pour future SOEC Allothermique - Rendement très élevé - Consommation électrique très faible - Utilisation de chaleur haute température - Couplage thermique très compliqué - Gradients thermiques dans le stack - Développements importants - Faible densité de courant Autothermique - Solution proche d’une SOFC - Couplage avec source de chaleur faible voire inexistant - Forte densité de courant - Consommation électrique significative - Rendement plus faible qu’en allothermique - Pas besoin de chaleur haute température DTE/SCES/LCEC 24 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Synthèse études communes avec SOFC • Problèmes communs SOEC / SOFC – – – – – – – – – Matériaux basse température Corrosion métaux Optimisation écoulements en milieux poreux Mise en œuvre de matériaux en couches minces Modélisation d’un stack Étanchéités Contacts électriques Architectures innovantes Conversion électrique DTE/SCES/LCEC 25 GROUPEMENT DE RECHERCHE CEA - CNRS –EDF - FRAMATOME Synthèse études spécifiques SOEC • • • • • • • Caractérisation des matériaux en mode électrolyseur Effet des fortes densités de courant Travail de l’électrolyte ‘contre nature’ Effet des fortes pressions 2 alimentations et 2 extractions Apport thermique en cœur de SOEC Architectures spécifiques par type d’électrolyseur DTE/SCES/LCEC 26
