Modélisation et Commande du Système d’Alimentation en Air

Sous quelque angle que l’on se place – trend estimé du réchauffement progressif de la planète sous l’action des gaz à effet de serre, niveaux actuels des réserves connues d’énergies fossiles et échéances prévisionnelles d’épuisement, perspectives d’évolution de la demande énergétique mondiale – la nécessité objective s’impose d’une remise en cause radicale des conditions et modalités d’exploitation des ressources naturelles utiles à la production de biens et de services: « L’utilisation massive des énergies fossiles expose la planète à deux problèmes majeurs – accroissement de l’effet de serre à relativement court terme et épuisement des réserves à plus long terme – qui ne sont pas dissociables. (…) Nous vivons une période d’énergie abondante dont le prix reste inférieur à ce qu’il devrait être si nous avions une attitude responsable vis-à-vis des ressources naturelles et des générations futures. Dès la seconde moitié du XXIe siècle, gaz et pétrole se feront plus rares et plus chers. Il faudra à terme les réserver à des utilisations plus nobles que la combustion, comme la chimie » (cf. [1]).

En fait, c’est la vision même du développement économique qui doit être repensée, sans délais, sans tabous, sans démagogie, mais avec lucidité et détermination, en cherchant à optimiser toutes les facettes de la capacité d’analyse, d’adaptation et de créativité de l’esprit humain : « Les preuves scientifiques sont maintenant accablantes: le changement climatique constitue une menace planétaire grave qui exige une réponse mondiale de toute urgence (…). Le changement climatique constitue l’échec le plus grave du marché que le monde ait jamais connu (…). Trois types d’actions sont nécessaires pour obtenir une réponse planétaire efficace. Le premier est la fixation du prix du carbone (…). Le second est l’action gouvernementale pour encourager l’innovation et le déploiement de technologies non carbonées. Et le troisième vise à supprimer les obstacles à l’efficacité énergétique et à informer, éduquer et persuader les individus sur ce qu’ils peuvent faire pour réagir face au changement climatique » (citations de l’économiste britannique Nicholas Stern, tirées de son rapport sur les conséquences du réchauffement climatique, cf. [2]).

Transports, énergie et contexte économique et environnemental 

En matière de transport et ce, quel que soit le mode terrestre, maritime ou aérien considéré, les techniques de propulsion thermique sont aujourd’hui parfaitement maîtrisées ; bien mieux, elles ne cessent de progresser. Mais dans le même temps, par les nuisances (bruit, pollutions …) qu’elle induit, cette technologie conventionnelle est de plus en plus contestée. Elle le sera sans doute encore dans le proche avenir, à mesure que les besoins de transports à satisfaire dans les économies émergentes à l’est et au sud de l’occident entraîneront une croissance corrélative des consommations énergétiques, notamment de produits pétroliers, et des émissions polluantes, ces dernières atteignant déjà dans certaines mégapoles des niveaux jugés critiques. Le secteur des transports est ainsi devenu la cible privilégiée des politiques de lutte contre l’effet de serre et, plus généralement, de protection environnementale. Les recherches en direction de moyens de transport plus économes en énergie, notamment fossile, et moins agressifs pour l’environnement s’en trouvent naturellement légitimées et tendent à occuper une place de plus en plus centrale dans les stratégies technologiques des constructeurs, notamment, mais pas seulement, automobiles.

Comme le souligne l’ADEME : « Le secteur des transports doit faire face à plusieurs défis : réduire la pollution locale dans les zones urbaines ; faire décroître les émissions de gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement de la planète ; diminuer les consommations de carburant et diversifier les approvisionnements énergétiques ; atténuer les émissions sonores. Pour cela, il convient d’explorer de nouvelles solutions technologiques et de mettre en oeuvre des alternatives au véhicule thermique conventionnel ».

La double pression environnementaliste 

La pression environnementaliste se manifeste à la fois par la montée en puissance de la conscience écologique au sein des populations et par le renforcement des réglementations publiques incitatives, restrictives et/ou coercitives qui lui fait écho. L’opinion publique est aujourd’hui incontestablement devenue attentive aux préoccupations environnementales : ce que d’aucuns ont appelé la « conscience écologique » apparaît désormais comme un fait acquis à vocation universelle. Les occasions spectaculaires de sensibilisation n’ont pas manqué au cours des vingt dernières années mais, si le syndrome de Tchernobyl ne quittera sans doute pas de sitôt les consciences européennes, ce sont finalement les atteintes à l’environnement ressenties ou vécues au quotidien et relayées par les grands médias (pics de pollution répétés dans les grands centres urbains, restrictions de l’approvisionnement en eau, pollution des rivières et des nappes phréatiques, canicules, cyclones et autres phénomènes climatiques atypiques, etc.) qui contribuent le mieux à éveiller la sensibilité des consommateurs et, par là même, à convaincre les acteurs politiques et socioprofessionnels de l’inéluctabilité d’une réorientation stratégique de l’industrie en général, et de l’industrie des transports en particulier, au profit de la recherche et de l’innovation environnementales. Les pouvoirs publics nationaux comme les institutions ou organismes supranationaux se sont quant à eux peu à peu approprié – plus tardivement – les préoccupations environnementales manifestées à la fin des années soixante par quelques intellectuels ou mouvements écologistes, contestataires du modèle productiviste dominant, jugé beaucoup plus soucieux de croissance et de profit que de développement et d’équité, et relayées ensuite dans l’opinion publique via le monde associatif. Si ce mouvement reste encore essentiellement confiné aux pays ou aux régions les plus développés (Union Européenne, Japon, Californie), tout porte à croire que les efforts en vue d’un renforcement, à l’exemple de la Chine, et d’une harmonisation progressive des normes au niveau mondial (on évoque de plus en plus dans les milieux politiques autorisés la création d’une Organisation Mondiale de l’Environnement, la France semblant d’ailleurs vouloir jouer dès 2007 un rôle catalyseur dans cette perspective) finiront par s’imposer, au delà des obstacles inhérents aux différences de niveaux de développement et aux différences de capacité d’absorption des pays qui en résultent.

La double contrainte énergétique 

La contrainte énergétique prend sa source dans la raréfaction prévisible des énergies épuisables et dans les limites actuelles au développement et à l’exploitation des énergies renouvelables. En s’imposant comme moyens de transport privilégiés des personnes et des biens au cours du XXe siècle, l’automobile et l’avion ont certes profondément révolutionné les modes de vie et les conditions du développement économique ; mais leur dépendance quasi-exclusive vis-à-vis des carburants pétroliers a dans le même temps opéré une ponction considérable et irréversible sur les réserves mondiales en énergie fossile économiquement accessibles. Même si les avis d’experts divergent sur la date de franchissement du « pic de Hubbert » (« peak oil »), point de retournement de la production mondiale d’hydrocarbures annonciateur du déclin de cette énergie fossile, la perspective de pénurie en produits pétroliers apparaît désormais à peu près inéluctable, à défaut d’être imminente.

Table des matières

I Contexte de l’étude
Introduction générale
1 Véhicule à pile à combustible et problématique du système d’air
1.1 Introduction à la technologie « pile à combustible »
1.1.1 Historique et principe de fonctionnement
1.1.2 Différentes technologies de piles à combustible
1.1.3 Description des piles à membrane échangeuse de protons
1.2 Système « pile à combustible » et application automobile
1.2.1 L’hydrogène : carburant pour les transports
1.2.2 La pile à combustible : technologie de rupture
1.2.3 Le véhicule à pile à combustible chez les différents constructeurs
1.3 Présentation du véhicule à pile à combustible étudié
1.3.1 Les projets de recherche associés
1.3.2 Le module de puissance
1.3.3 Le fonctionnement à pression élevée
1.3.4 Le système d’alimentation en air
1.3.5 La problématique du groupe de compression
1.4 Conclusion
II Modélisation et analyse
2 Modélisation physique : méthodologie et outils théoriques
2.1 Introduction à la démarche de modélisation
2.1.1 Choix de la modélisation physique
2.1.2 Démarche adoptée pour la modélisation pneumatique
2.1.3 Revue de modèles de systèmes d’air dans la littérature
2.2 Modélisation des conduits pneumatiques
2.2.1 Rappels théoriques
2.2.2 Modèle d’acoustique non-linéaire
2.2.3 Modèle de perte de charge
2.2.4 Modèle d’échange thermique
2.2.5 Modèle complet de conduit
2.3 Modélisation des actionneurs
2.3.1 Modèle du groupe de compression
2.3.2 Modèle de vanne
2.4 Validation des modèles du système d’air
2.4.1 Méthodologie couplée
2.4.2 Vérification de la cohérence des modèles par simulation
2.4.3 Validation expérimentale des modèles sur banc d’essai
2.5 Conclusion
3 Modélisation et identification du système d’air expérimental
3.1 Présentation du système d’air expérimental
3.1.1 Définition du système étudié
3.1.2 Présentation du moyen d’essai
3.2 Modélisation du système d’air pour la commande
3.2.1 Rappel des objectifs
3.2.2 Modèle non-linéaire du système d’air expérimental
3.2.3 Conditionnement du modèle pour la commande
3.2.4 Validation du modèle de commande
3.3 Analyse du modèle linéaire du système d’air
3.3.1 Introduction en vue de la commande
3.3.2 Analyse des transferts en fonction du point de fonctionnement
3.3.3 Analyse de sensibilité
3.3.4 Analyse structurelle du modèle
3.4 Conclusion
III Commande et résultats
4 Synthèse de lois de commande pour le système d’air
4.1 Formulation du problème de commande
4.1.1 Spécificités liées à l’application « pile à combustible »
4.1.2 Cahier des charges du système d’air expérimental
4.1.3 Revue de commandes dans la littérature
4.2 Synthèse de la commande dans un cadre monovariable
4.2.1 Introduction
4.2.2 Synthèse de régulateurs PI
4.2.3 Mise en œuvre et résultats en simulation
4.2.4 Bilan
4.3 Synthèse de la commande dans un cadre multivariable
4.3.1 Introduction
4.3.2 Synthèse d’une commande par retour d’état
4.3.3 Structure de commande pour le système d’air expérimental
4.3.4 Mise en œuvre et résultats en simulation
4.3.5 Bilan
Conclusion générale

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