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La micro-cogénération à pile à combustible
ENGIE LAB CRIGEN
Stéphane Hody
Référent d’expertise Piles à Combustible
Confidential - Do not duplicate or distribute
SOMMAIRE
Chapitre 1La cogénération à pile à combustible :
une production locale et efficace d’électricité et de chaleur
Chapitre 2Des produits qui arrivent à maturité technologique
Les premiers déploiements réalisés par le groupe Engie
Chapitre 3 Actions transverses et les perspectives
La micro-cogénération à pile à
combustible :
une production locale et efficace
d’électricité et de chaleur
2016 CRIGEN – ENGIE LAB Confidential - Do not duplicate or distribute
La pile à combustible : la technologie la plusefficace pour convertir le gaz naturel en électricité
4
l Pile à combustible (PiAC) : un réacteur électrochimique qui convertit l’énergie chimique d’un combustible en électricité et chaleur, sans combustion ni parties mobiles
l Une PiAC peut être alimentée avec différents combustibles gazeux : gaz
naturel, biogaz ou hydrogène
l Rendements au gaz naturel : 30 à 60 % sur l’électricité, et jusqu’à 95% au total (chaleur et électricité)
l Des systèmes sont disponibles pour les applications résidentielles, tertiaires et
industrielles
l 4 technologies peuvent être utilisées en cogénération au gaz naturel :
Ø PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Ø PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell
Ø MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell
Ø SOFC : Solid Oxide Fuel Cell
l Evolutions techniques attendues de la technologie :
Ø Consolidation de la durée de vie à plus de 80’000 h
Ø Légère amélioration des rendements électriques pour la plupart des technologies
PEMFC PAFC MCFC SOFC
T° 80°C à
180°C
180°C 600°C 550°C à
900°C
Puissance
électrique
(kW)
0,3 – 50 100 – 400 250 – 1400 0,7 – 250
Tenue aux
cycles de
marche
/arrêt
Elevée
(>4000)
Faible
(1 par an)
Faible
(1 par an)
Faible
(1 par an)
Durée de
vie (h)
Jusqu’à 120’000
Jusqu’à 60’000
Jusqu’à 40’000
Jusqu’à 90’000
Rendt
électrique
au gaz
naturel
25 - 40% 40 - 42 % 45 - 48% 30 - 60%
2016 CRIGEN – ENGIE LAB Confidential - Do not duplicate or distribute 5
*Catalytic partial oxydation, oxydation catalytique partielle
ReformeurCPOx ou
Vaporeformage
Cœur de pile
On
du
leu
r
Gaz
naturel
Fumées
CO2, H2O
Le gaz naturel est
privé de son soufre
et de son
odorisation
Cartouche
de
Désulfurisat
ion
Air
Eau de ville
Eau chaude
Traitement
d’eau
Surpresseur
Eau ChaudeEchangeur
Electricité
+
On
dO
nd
On
dO
nd
On
dO
nd
ule
ule
ule
ule
ur
Courant
Continu
E
Courant
alternatif
2 modes de
production de
l’hydrogène
possibles:
- CPOx*
- VaporeformageH
2O(2)sat
VapoVaporefo
satsat
CH4
O2(1)
O2
Cathode
Anodeou
eureureureur
H2, CO2
Condensats
Le cœur de pile permet l’oxydation de l’hydrogène avec l’oxygène
ge
OOOOOOOOOOOO222222
COCOCOCOCOCO2222222
ConConConConConConden
2 modes de reformage de l’hydrogène à partir du gaz naturel :(1) CPOx* à l’oxygène
- Limite le rendement électrique,
+ Maintenance limitée,
+ Pas de filtre à eau,
+ Compatible avec des émetteurs HT.
Constructeurs : Hexis, Vaillant
(2) Le Vaporeformage avec de l’eau
+ Rendement électrique,
- Maintenance supplémentaire (eau),
- Température de chauffage limitée.
Alimentation soit en eau de ville, soit à partir de la
condensation des fumées.
Constructeurs : Dantherm, RBZ, Viessmann, Bosch,
Elcore
2 Technologies possibles en micro-cogénération :PEMFC : cœur de pile à 80 °C
ɳel: 25 à 40 % et ɳgl: 95 %/PCI
Reformeur complexe pour H2 de qualité
Démarrage « rapide » (<1h)
Nombreux cycles de marche/arrêt possible
SOFC : cœur de pile ~800°C
ɳel: jusqu’à 60 % et ɳgl: 95 %/PCI
Reformeur simple (sans purification du CO)
Démarrage lent (>3h)
La pile à combustible : production d’électricitéet de chaleur à partir du gaz naturel
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Production locale d’électricité et de chaleur pourréduire la consommation d’énergie primaire
6
• La pile produit de l’électricité en fonction de la
demande de chaleur du bâtiment.
• L’électricité est autoconsommée et le réseau
électrique fournit l’éventuel complément.
• Selon les réglementations, l’excédent de
production électrique peut être exporté, voire
revendu sur le réseau.
• Une micro-cogénération à pile
se décompose généralement
d’un module pile à combustible,
d’une chaudière d’appoint et d’unballon de stockage thermique.
Chaudière à Chaudière à condensationconden
Rdtnden
RdtRdt = sationensaen
= = = = 100%
128
Transport et Transport et distributiondistribuRdt
butionstributt = 92%
Electricité bassesse-e-tension
Centrale CentraleGaz
EffEffEff. GaGa
ff. = GazGa= = 60%
Unités de gaz naturel 55
Unités de gaz naturel 73
4 29
44 44 unités
4040unités
4040unités
5555unités
55 55 unités
100100Unités deUnités de
Gaz Naturel
Pertes Pertes
mCHPHP à pilemCHPTotal
mCHPtal tal eff
à pileà HPHP à HPeffeffeffeffeff. = 95%
Chauffage et eau chaude
5 Pertes
Des produits qui arrivent à
maturité technologique
Les premiers déploiements
réalisés par le groupe Engie
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Les Etats-Unis et l’Asie dominent le marchédes piles à combustible stationnaires
8
La Corée du Sud est
devenue le leader
mondial des piles à
combustible
stationnaires avec environ
300 MW installés, de la
micro-cogénération à la
production de forte
puissance (100 MW)
L’Europe débute la commercialisation
des piles stationnaires, notamment pour
les particuliers.
Les Etats-Unis USA considèrent
principalement les cogénérations à pile
à combustible de moyennes puissances
(100 kWe à 1 MWe). Près de 250 MW
seraient installés à ce jour.
Le Japon est le leader
mondial de la micro-
cogénération résidentielle
à pile. 150’000 unités ont été vendues et installées
(mars 2016).Source : « The Fuel Cell Industry Review 2015 », E4Tech
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8 constructeurs de micro-cogénération à piles53 tests sur le terrain suivis par Engie Lab
9
Pile Viessmann Vaillant Hexis Baxi Elcore Bosch RBZ DANTHERM SENERTEC
Type PEMFC SOFC SOFC PEMFC PEM HT SOFC PEMFC PEMFC PEMFC
Puissance
électrique(W) 750 1000 1000 1000 300 700 3900 2000 700
Puissance
thermique(W) 1000 1800 2500 2300 700 600 9100 4700 -
Rendement électrique 37% 33% 35% 33% 30% 45% 31% 27% 38%
Nb de systèmes installés 3 et 10 10 5 5 5 5 3 5 2
Projet EPILOG
GrDF
ENEFIELD
GrDFENEFIELD
RBZELCOREBAXI INNOTECHHEXISVAILLANT DANTHERMBOSCHVIESSMANN
EPILOG : projet ADEME. Viessmann, GrDF, ENGIE LAB CRIGEN et COSTIC
ENE FIELD : projet européen du FCH-JU. 26 partenaires. 1000 piles en Europe.
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Retour sur l’ensemble des tests terrains
10
q Les rendements d’exploitation sont en adéquation avec les rendements en laboratoire (baisse normale de quelques points de part les cycles de marche/arrêt)
q Une réduction de la facture énergétique (gaz+élec) pour les clients.
q Des durées d’installations longues, 2 à 3 jours en moyenne, en raison de la nouveauté pour les installateurs. Les systèmes tout intégrés et monoblocs facilitent grandement le travail de
l’installateur.q La surface nécessaire à l’implantation des piles (pile, chaudière, système de régulation et
hydraulique), de 2 à 8 m² nécessite de grands volumes et impose une installation en chaufferie .
q Des limitations pour certains systèmes sur les températures départ/retour de l’installation de chauffage peuvent limiter l’accès au marché de la rénovation.
q Des taux d’autoconsommation parfois faibles nécessitant de valoriser la production d’électricité exportée sur le réseau, pour maintenir l’intérêt économique du client.
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• Faciliter le marché en France:
• Intégration réglementaire dans la RT 2012
• Valider les aspects liés à la sécurité
• Identification des aides nécessaires, notamment sur la valorisation de
l’électricité produite
• Augmenter l’autoconsommation de l’électricité produite
• Études sur l’utilisation de stockage électrique
• « Couplage » avec des bornes de recharges de véhicules électriques
Actions transverses
12
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• Les piles à combustible ont atteint une maturité technologique (performances et durée de vie
notamment)
• Leur déploiement est en cours à l’échelle mondiale (près de 1 GW installés)
• Les coûts restent cependant élevés (2 à 10k€ / kW) mais la baisse des coût a démarré sur certains
marchés de par l’augmentation des volumes
• Le déploiement dépendra fortement des conditions tarifaires des énergies selon les pays et régions
Conclusions et Perspectives
13
• Quelques pistes de travaux R&D à mener :
• Clarifier l’impact de la production décentralisée sur les réseaux électriques (autoconsommation, revente totale ou en surplus)
• Limiter la maintenance des systèmes à pile à combustible : purification de l’eau, absorption chimique du THT
• Oxydation directe du méthane par la pile ?
ENGIE LAB CRIGEN
361 avenue du Président Wilson
93210 Saint-Denis La Plaine, France
Tél : +33 (0)1 44 22 00 00
engie.com
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai – Paris
Powidian – Sites Isolés
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Qui sommes nous ?
• Powidian est une SPIN-OFF du groupe Airbus
issue de la division radio communication
sécurisée.
• PowiDian conçoit, installe et assure la
maintenance de stations autonomes de
production décentralisée d’électricité, non
polluantes et intelligentes, fournissant une
électricité disponible en permanence au
meilleur coût.
• Puissance : à partir du KW jusqu'à plusieurs
centaines de KW.
• Janvier 2015 naissance de Powidian
• Powidian aujourd’hui c’est 14 personnes
réparties entre Elancourt et Tours.
• Lauréat Solution Climat COP21
17 Mai 2016 2
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Historique du besoin • BESOINS :
> FOUNIR de l’énergie fiable 24/24 heures sur des sites isolés et difficiles
d’accès, pour de petites puissances : quelques Kilowatts• 100% autonome
• Non utilisation de groupe électrogène
• Haute Fiabilité : 99,99 % de disponibilité
• Longue durée de vie, supérieure à 15 ans
• Maintenance limitée
• Cout de possession attractif
• CONSTAT :
> Aujourd'hui, les sites isolés sont alimentés par :• Deux groupes électrogènes
• Ou des panneaux solaires et/ou éolien + un groupe électrogène pour sécuriser
17 mai 2016 3
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Solution
17 mai 2016 4
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Historique Airbus
• Projet Européen RENESTA : 2010<->2014
• Projet RHYTA – Suite RENESTA stockage H2 avec des
Hydrures
17 mai 2016 5
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Refuge du Palais• Période d’ouverture : 4 mois, de juin à septembre inclus
• Période de fermeture : 8 mois, d’octobre à mai inclus
• Consommation utilisations en période d’ouverture :
• Energie journalière de 6,5 kWh ( soit environ 800kW.h sur la période
d’ouverture)
• Dont 2,5KWh sur la sortie 24VDC
• Appareils à alimenter en 24VDC : éclairages,
frigo, radio, etc
• Dont 4 KWh sur la sortie 230VAC
• Appareils à alimenter en 230Vac : pompe
relevage, pétrin, parabole etc
• Consommation utilisations en période fermeture : aucune
• Mieux stocker l’énergie des panneaux PV, inutilisée pendant la période de
fermeture, pour l’utiliser aux périodes de besoin ( capacité batterie, et/ou
ensoleillement insuffisants)
• Obtenir l’autonomie énergétique sur l’année
• Eviter le recours au groupe électrogène ( réduction nuisances, réductions couts
d’exploitation)
• Offrir plus de service énergétique aux usagers et gardiens
• Réalisation écoresponsable
17 mai 2016 6
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Choix techno H2
• Deux Réservoir 850 litres, 30 bars matériaux composites
• Pile => 2,5 Kw électrique
• Technologie PEM
• Produit pour Back-up
• Electrolyseur => 0,5 Nm3
• Technologie AES Alcaline Electrolyte Solid
• Nombreux Avantages => Qualité eau, froid, maintenance
17 mai 2016 7
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SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Choix technique H2
17 mai 2016 8
• Système modulaire
• Maintenabilité sur site : H2 Rackable,
• Connecteur H2 Rapide
• Connection à distance
Renesta
Refuge du Palais
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Evolution H2
Piste de R&D
• Durée de vie pile H2 a augmenter à cout raisonnable
• Nombre de Marche/Arrêt
• Nombre d’heures
• Suppression de l’humidification des piles.
• Petit électrolyseur PEM à cout raisonnable avec pression H2 = 30 Bars
ou supérieur.
17 mai 2016 9
La recherche au service de la transition énergétique
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Evolution H2
17 mai 2016 10
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
Evolution H2
17 mai 2016 11
MERCI
Et place aux questions !
La recherche au service de la transition énergétique
SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai
17 Mai 2016 12
Jean-Marie BOURGEAIS Fondateur
06 85 74 43 64
Données non contractuelles pouvant être modifiées à tout moment par Bulane SAS. Tous droits réservés.
1
« Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et
l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur
et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »
Jules Verne - L’Île mystérieuse - Partie 2, Chapitre 11 - 1874
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2
Un positionnement inédit…
HYDROGENE INDUSTRIEL
Electrolyseurs classiques
Finition des métaux
Microélectronique
Semi-Conducteur
Industrie de la LED
Industrie du verre
Alimentaire
Industrie Photovoltaïque
…sur les marchés prometteurs de l’hydrogène et ses applications.
HYDROGENE ENERGIE
Electrolyseurs classiques
Stockage électrochimique
Mobilité (recharges…)Power to Gas
Carburant Transports
COMBUSTION HYDROGENEPRODUCTION & UTILISATION DIRECTE
Electrolyseurs à façon
Délivrer des services décarbonnés à forte valeur ajoutée,
pour répondre directement aux besoins du consommateur final.
Embarquer des électrolyseurs dans des produits fonctionnels dédiés à des applications.
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3
Flamme
IndustrielleChauffage Transport
Traitement Déchets
Gamme de Générateurs
d’HYDROGENE technique industriel
Gamme de
Chauffages Centraux
HYDROGENE
Gamme de
Générateurs embarqués
HYDROGENE
BULANE® Hydrogène « Combustible Zéro Carbone »
1 32 4
Gamme d’Incinérateursde déchets
à HYDROGENE
ENERGIE FOSSILE -> EMISSION de CO2 et de GAZ A EFFET DE SERRE
Acétylène, Butane, Propane…
Fioul, Gaz Naturel
Supercarburant, Gazole, GPL
Méthane, Autres Gaz…
Flamme Industrielle Chauffage Transport
Traitement Déchets
- Brasage Soudage Coupage,
- Chauffe Thermique,
- Projection Métallique,
- Travail du Verre…
- Habitats Collectifs,
- Collectivités,
- Maisons Individuelles,
- Tertiaire…
- Poids Lourds,
- Transports collectifs,
- Véhicules individuels,
- Transport Maritime…
- Incinérateurs
de déchets
TRANSITION ENERGETIQUE
Un 1er focus sur des marchés matures en forte croissance
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4
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5
1er marché ciblé - La flamme industrielle
Oxy-hydrogen flame for you, now.
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6
1er marché cible - La flamme industrielle
HVAC+RHeating, Ventilation, Air
Conditionning & Refrigeration
Fabricants, Techniciens frigoristes, Chauffagistes, Artisans Plombiers
Plus d’1 Million d’Utilisateurs à équiper
Des marchés matures, en croissance, et qui représentent un potentiel de plus d’1 Milliard d’€
ELECTRIQUEMoteurs, Génératrices,
Transformateurs Electriques
TRANSPORTS
Fabricants et Équipementiers
Automobiles, Aéronautiques et
Ferroviaires
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7De la production à l’utilisation
Schéma classique
Prospection Consultation Gaz
Utilisation
Achat
Approvisionnement
Stockage
Distribution
CO2
Fourniture d’électricité
Production et utilisation
Distribution électrique
Branchement
système dyomix®
sur alimentation électrique
CO2
Pas de CO2
si source
électrique ENR
De la production à l’utilisation
Système dyomix®
Tempo Alimentation
en eau
Décarbonner le marché de la Flamme Industrielle
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8
dyomix®, des bénéfices clients aussi inédits qu’inégalés
ECONOMIQUERéaliser des économies financières
et stabiliser vos dépenses liées au brasage.
TEMPS DE BRASAGE, MOBILITE & QUALITEAugmenter la productivité et la mobilité
de votre processus de production.
RISQUES & SECURITEDiminuer les risques et augmenter la sécurité
de votre personnel et de vos installations
SANTE AU TRAVAILAméliorer les conditions de travail et préserver la santé de vos opérateurs
EMPREINTE ECOLOGIQUERéduire votre impact sur l’environnement et
décarbonner votre process brasage
UNE OFFRE COMPLETE
Appareils
Accessoring
Consommables
Services
Garanties
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9
Un éco-procédé fortement décarbonant
Emprunte Carbone globale réduite de 94%
Emprunte CO2 réduite de 92%
1 poste équipé = économie carbone équivalente à 30 000 kms en voiture
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10
Tempo
q MINISTÈRES : Education Supérieure et Recherche, Ecologie Développement Durable Energie,
Redressement Productif ;
q INSTITUTIONNELS & FINANCIERS : BPI France, Transferts-LR, Région-LR, l’Europe, Carsat (Médecine du Travail), INRS, Pôle de Compétitivité DERBI, Mécatronique LR, ADEME, UBIFRANCE ;
q SCIENTIFIQUES : CNRS, Université Montpellier II, ICG Montpellier, IES Montpellier, Polytech
Montpellier & Nantes, LGMPA Nantes ;
q ACCOMPAGNEMENT DE L’INNOVATION : Incubateur de l’Ecole des Mines d’Alès, Languedoc-
Roussillon Incubation, Réseau Synersud, Business Innovation Center de Montpellier Agglomération,
Créalia.
Un Eco-système réunis autour de Bulane
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11
Une Start’Up reconnue par les institutions
Trophée d’Argent « Procédé Durable »
Energaïa 2009
Lauréat 2010 du Concours d’Aide aux
Entreprises de Technologies Innovantes
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche & Oséo Innovation
Tempo
Gagnant du Défi Jeune Envie d’Agir 2007
Ministère de la Jeunesse et des Sports
Lauréat Concours Talents 2008Innovation Technique et Technologique
Trophée INDUSTRIE 2011Catégorie Ligne VerteDéveloppement Durable
Trophée CAPTRONIC 2011Catégorie Jeune Entreprise
CIEN Paris 2011
Cleantech Open France 20143 Ministères / Ademe / KIC Climate EU
Grand Prix Objectif LR 2015CleanTech Ambassadrice COP 21
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12
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13
Membranes & Nouvelles Electrodes Composites (NCE® Technology)
Une technologie d’électrolyse dopée aux nano-matériaux ……drivée par la philosophie du Design to Cost !
Design To Cost
Electrodes dopées au nano matériaux
Architecture de
l’électronique de contrôle optimisée
Nouveaux standards de
l’électronique de puissance
Design mécaniques et électro-chimiques
spécifiques aux applications ciblées
(brevets en cours)
(brevets en cours)
(brevets en cours)
(brevet déposé)
> des électrolyseurs inédits(poids/encombrement/fonctionnalités/performances/prix)
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14
Une CleanTech brevetée unique…
… permettant d’augmenter significativement les performances des
électrolyseurs, et/ou de diminuer leurs poids/encombrements.
Famille de brevets : 1 FR/PCT, 3 en cours
de dépôt (2014), +5 prévus sur 2015.
Famille de marques : 3 déposées, 2 en
cours de dépôt.
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15
Décrochages de particules
métalliques avec la production
de gaz à la surface d’électrode
Nouvelles Electrodes Composites – NCE® Technology : Fabrication d’électrodes pour l’électrolyse alcaline de l’eau sous la forme d'un film mince à base de matériaux catalytiques micro ou nanostructurés et d’un polymère (liant) conducteur ionique (ou polyélectrolyte).
i
Liquide
gaz
Support
Un exemple de
film obtenu par
cette méthode
objet de
l’invention.
Une CleanTech brevetée unique…
… issue de 7 ans de R&D et offrant des performances probantes.
Courbe
comparative de
performances.
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16
Production du support collecteur de courant
Production du matériau actif
ASSEMBLAGE DE L’ELECTRODE COMPOSITE
DonDonDonDonnéenéenéenéenéenées ns ns ns ns ns non on on conconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconconcontratratratratratratratratratratratratratractuctuctuctuctuctuctu
SupportEncre composite aqueuse Grille Collecteur de Courant Plaque Collecteur de Courant
« NEW COMPOSITE ELECTRODE »
VERROUS :o Nouvelles
formulations
o Sourcing des
composants
o Peu de prestataires
o Scale’Up
VERROUS :o Assemblage des
composants
o Tenue mécanique
o Qualité &
Reproductibilité
Un Programme Collaboratif dynamique et efficaceNouvelles Electrodes Composites pour une évolution technologique inédite
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17
« Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et
l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur
et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. »
Jules Verne - L’Île mystérieuse - Partie 2, Chapitre 11 - 1874