Modélisation multiphysique des flux énergétiques d’un couplage photovoltaïque-électrolyseur PEM-pile

L’impasse environnementale et le changement de cap 

On constate de plus en plus que la politique internationale (inter états et intra états) se développe autour du concept du « développement durable » afin de prendre en compte les aspects environnementaux et sociétaux d’une planète globalisée. Ce principe du développement durable a trois piliers qui sont les piliers « écologique », « économique » et « social » de manière à permettre un monde « vivable », « viable » et « équitable » pour un avenir « durable ».

La raréfaction des ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel), le changement climatique, la progressive dégradation de la couche d’ozone, la perturbation de l’équilibre de la biosphère et de la biodiversité sont autant de facteurs qui ont favorisé une nouvelle politique environnementale et en conséquence une nouvelle politique énergétique basée d’une part sur la réduction des émissions polluantes, comme le stipule le protocole d’accord de Kyoto signé le 11 décembre 1997 et ratifié par cent quarante et un (141) pays en 2010, et d’autre part sur les énergies renouvelables ou propres. La politique de la réduction des gaz à effet de serre étant étroitement liée à la production et à la consommation énergétique [Solo11], deux leviers permettent de la déployer. Il s’agit d’une part de sensibiliser la société aux risques encourus et à la nécessité de vivre « autrement », puis d’autre part d’imposer de nouveaux cadres ou de nouvelles normes restrictives pour orienter les choix technologiques et donc également la recherche scientifique. C’est dans ces conditions que la recherche sur les énergies renouvelables a connu un intérêt de par le caractère inépuisable et propre (tout au moins pour une grande part) des dites énergies [Solo11].

Les énergies renouvelables 

La politique énergétique mondiale actuelle aboutit en aval sur des verrous scientifiques qui constituent les différents défis de la communauté scientifique. La raréfaction des ressources fossiles et toute la problématique environnementale résumée plus haut ont permis l’émergence des énergies dites renouvelables que sont [Baño11] :
• Energie solaire (photovoltaïque et thermique solaire) ;
• Energie éolienne ;
• Energie hydraulique ;
• Energie de la biomasse ;
• La géothermie.

Ces énergies ont le mérite d’être inépuisables quelle que soit la consommation. De nombreux travaux de recherche sont effectués dans le cadre d’une optimisation énergétique [Baño11] pour améliorer leurs rendements intrinsèques ou leurs rendements systèmes encore insatisfaisants. L’énergie solaire, dans sa composante photovoltaïque, la plus abondante entre toutes, a fait l’objet de nombreux travaux [Pari11][Baño11]. Son intermittence et son caractère fluctuant lui ont valu d’être le plus souvent hybridée à d’autres sources d’énergies. Son hybridation à la filière hydrogène a suscité un intérêt majeur au vu de nombreux travaux réalisés [Labb06][Poss09][Yila09].

Inaptitude des sources d’énergie renouvelables à satisfaire seul un besoin

Les propriétés physiques des sources d’énergies renouvelables les rendent la plupart du temps inaptes à satisfaire seules de façon viable une demande d’énergie. Plusieurs contraintes participent à cette insuffisance.

Nécessité d’hybridation due à l’intermittence et à la fluctuation des ressources renouvelables 

Le caractère fluctuant et intermittent des ressources renouvelables implique indubitablement leur stockage en amont en vue d’assurer le caractère permanent de l’approvisionnement énergétique, d’où l’usage des batteries pour le solaire photovoltaïque ou les éoliennes et également l’usage des digues pour les barrages hydroélectriques. Le nombre de batteries augmente avec la puissance de l’application. Afin d’éviter un nombre excessif de batteries pour des applications de forte puissance l’option d’hybridation est souvent envisagée. Quand à l’hydroélectricité même si elle est quelque peu sensible à la variation des saisons pluvieuses, elle peut cependant de par son dimensionnement s’assurer une autonomie pour répondre à la demande. Dans la plupart des cas, l’intermittence des sources renouvelables nécessite une hybridation avec d’autres entités énergétiques pour un appoint de fourniture d’énergie (autres sources d’énergie renouvelable, propre, ou conventionnelle) [Darr 10][Yila 09].

Les verrous de la filière énergies renouvelables/propres 

L’exploitation des ressources renouvelables à grande échelle est sujette aux verrous suivants:
• Le coût;
• La durée de vie ;
• La fourniture d’une énergie stable pouvant permanemment satisfaire la charge.

Pour certaines des sources d’énergies renouvelables/propres comme le Solaire photovoltaïques, même si le second verrou est levé (plus de 25 ans de durée de vie) [Krau 06] [Tene 10], ce qui permet d’amortir le premier verrou, le troisième est foncièrement contraignant. Et toutes les approches d’exploitations dans la phase du dimensionnement ont pour seul but de garantir un approvisionnement permanent d’énergie en vue de satisfaire à la demande. Au-delà de ces trois verrous, il y en a qui sont propres à différentes sources. Le solaire photovoltaïque et le solaire thermique ont plus besoin d’augmenter le rendement des capteurs et cellules solaires en vue de réduire la surface occupée pour atteindre la puissance requise. Les éoliennes ont plus besoin de réduire « l’effet bruit », afin de mieux s’intégrer dans l’air urbain tout en optimisant le rendement de la conversion électromécanique, …etc.

Hybridation des énergies renouvelables : un atout pour les sites isolés

Les sources d’énergie de type renouvelables ou propre peuvent être hybridées pour des applications soit stationnaires ou mobiles. Nous nous intéresserons dans le cadre de cette thèse aux applications stationnaires qui peuvent être de type domestique ou professionnelle (station de relais télécommunication, feux tricolores, éclairage de sites isolés, productions industrielles…).

Pour les applications stationnaires couvertes par le réseau de distribution local d’électricité, la nécessité de recourir à des énergies alternatives ne semble pas indispensable. C’est pourquoi, dans les pays développés malgré une politique de vulgarisation qui permet (Exemple de la France) de payer à un particulier l’énergie d’origine renouvelable qu’il injecte dans le réseau, peu de personnes ont recours à la solution hybride et se contentent du réseau. Cependant, sur les sites isolés déconnectés du réseau électrique et difficile d’accès, une unité de production d’énergie viable et autonome s’avère inéluctable. Les sources d’énergies renouvelables hybridées sont alors un atout indéniable pour ce type d’applications stationnaires isolées.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’Art
1.1 Introduction
1.1.1 Inaptitude des sources d’énergie renouvelables à satisfaire seul un besoin
1.1.1.1 Nécessité d’hybridation due à l’intermittence et à la fluctuation des ressources renouvelables
1.1.1.2 Les verrous de la filière énergies renouvelables/propres
1.1.3 Hybrider le solaire photovoltaïque
1.1.4 Hybridation des énergies renouvelables : un atout pour les sites isolés
1.2 Couplage d’énergies renouvelables/propres pour des applications stationnaires
1.3 Couplage solaire photovoltaïque et l’hydrogène comme vecteur énergétique
1.3.1 De l’abondance de l’énergie solaire à la part réelle exploitable
1.3.2 De l’impossibilité d’une option « tout solaire »
1.3.2.1 Cas d’un pays développé : La France
1.3.2.2 Cas d’un pays sous-développé : La Côte d’Ivoire
1.3.2.3 Le  » tout solaire « : option utopique ?
1.3.3 La solution multi sources comme palliatif actuel ?
1.3.4 L’hydrogène solaire comme option prometteuse
1.3.5 L’hydrogène solaire : un vaste champ d’exploration scientifique
1.3.5.1 Outils analytiques dans un but de modélisation et d’optimisation
1.3.5.2 Outils de modélisation graphiques
1.4 Fourniture et stockage du combustible : production et stockage d’hydrogène
1.4.1 La production du dihydrogène
1.4.1.1 Les différentes « niches de l’hydrogène »
1.4.1.2 Les différentes modes de production pour faire face à la demande
1.4.2 Les modes de stockage du dihydrogène
1.4.2.1 Stockage sous-pression
1.4.2.2 Stockage sous forme d’hydrure métallique
1.4.3 Choix du mode de stockage : analyse économico énergétique du stockage d’hydrogène
1.4.3.1 Approche économique générale
1.4.3.2 Approche énergétique générale
1.4.3.3 Approche comparative de dimensionnement
1.4.3.4 Conclusion
1.5 Choix de l’outil de Modélisation
1.5.1 Outils de modélisation graphique
1.5.2 La Représentation Energétique Macroscopique (REM)
1.5.2.1 Les éléments sources
1.5.2.2 Les éléments de conversion
1.5.2.3 Les éléments d’accumulation
1.5.2.4 Chaînes de conversions énergétiques génériques
1.6 Orientation de la thèse
1.7 Conclusion
Chapitre II : Modélisation REM de l’Electrolyseur PEM
2.1 Introduction : Electrolyseur à électrolyte solide
2.1.1 Anode
2.1.2 Cathode
2.2 Aspect multi physique du fonctionnement de l’électrolyseur PEM
2.2.1 Les interactions internes : phénomènes multi physiques au sein de l’électrolyseur
2.2.2 Les interactions externes : les entrées/sorties du stack
2.3 Modélisation REM de l’électrolyseur PEM
2.3.1 REM du domaine électrique
2.3.2 REM du domaine électrochimique et thermodynamique
2.3.3 REM du modèle thermique
2.3.3.1 Modèle thermique du stack
2.3.3.2 Modèle thermique relatif au réservoir d’eau
2.3.4 Modèle fluidique du circuit hydraulique
2.3.4.1 Modèle fluidique : Pictogrammes multi ports (domaine thermo pneumatique)
2.3.4.2 Modèle fluidique : Pictogrammes multi ports (domaine Thermo hydraulique)
2.3.4.3 Couplage domaine hydraulique et thermique du réservoir
2.3.4.4 Modèle fluidique : circuit d’eau à la traversée du stack
2.3.4.5 Circuit d’eau à la traversée du stack : simplification
2.3.5 Modèle REM global de l’électrolyseur
2.4 Validation Expérimentale
2.4.1 Dispositif expérimental
2.4.2 Validation du modèle sans régulation de la température de l’eau du réservoir : Température du réservoir non régulée
2.4.2.1 Procédure d’identification des paramètres
2.4.2.2 Identification de paramètres électrochimiques
2.4.2.3 Identification des paramètres thermiques
2.4.3 Validation du modèle avec régulation de la température de l’eau du réservoir :
Température du réservoir régulée
2.4.3.1 Procédure d’identification des paramètres
2.4.3.2 Identification des paramètres électrochimiques
2.4.3.2.1 Paramètres électrochimiques fonction de la température
2.4.3.2.2 Problématique du potentiel à vide de l’électrolyseur
2.4.3.3 Identification des paramètres thermiques
2.4.3.4 Validation expérimentale
2.4.4 Approche REM introductive du modèle électrique dynamique de l’électrolyseur
2.4.5 Conclusion
Chapitre III : Modélisation REM des autres composantes énergétiques du système stationnaire
3.1 Introduction : Présentation du système global
3.2 Modèle du champ photovoltaïque
3.2.1 Enoncé de variables causales dans le domaine radiométrique/photométrique
3.2.1.1 Variable d’action
3.2.1.2 Variable de réaction
3.2.2 Activité thermique au sein du module solaire
3.2.2.1 Modèle thermique dynamique du module solaire
3.2.2.2 Modèle thermique statique du module solaire
3.2.3 Effet d’échelle Module/champ photovoltaïque
3.2.3.1 Le module photovoltaïque
3.2.3.2 Le champ photovoltaïque
3.2.3.3 Indentification des paramètres du modèle photovoltaïque
3.2.4 Modèle REM de la source photovoltaïque (PV)
3.2.4.1 Domaine thermique et radiométrique
3.2.4.2 Domaine Electrique
3.2.5 Commande de la source photovoltaïque
3.2.5.1 Point de puissance maximum de la source photovoltaïque
3.2.5.2 Commande de la chaîne de conversion photovoltaïque
3.3 Modélisation du système de stockage : Stockage sous forme chimique et sous forme électrique
3.3.1 Stockage d’énergie électrique sous forme chimique : modèle du système de stockage de dihydrogène
3.3.1.1 Le réservoir tampon
3.3.1.2 Détendeur amont
3.3.1.3 Moto compresseur
3.3.1.3.1 Généralité sur la compression
3.3.1.3.2 REM moto compresseur avec compression mono étage
3.3.1.4 Echangeur de chaleur
3.3.1.5 Réservoir de stockage de dihydrogène
3.3.1.6 Détendeur aval
3.3.1.7 REM du système de stockage d’hydrogène
3.3.1.8 Simulation du fonctionnement de la chaîne de stockage/déstockage
3.3.2 Stockage sous forme électrique: batterie et super capacités
3.3.2.1 Les batteries
3.3.2.2 Les supercondensateurs (SC)
3.3.2.2.1 : Généralités et REM
3.3.2.2.2 : Effet d’échelle
3.3.2.2.3 : Simulations
3.4 La PEMFC
3.4.1 Modèle REM de la PEMFC
3.4.2 Effet d’échelle
3.4.3 Simulation modèle PEMFC
3.5 Système global
3.6 Conclusion
Conclusion générale 

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