Soutenance mémoire
Le contexte actuel est favorable au développement des énergies renouvelables (EnRs). Développé par la suite, le couplage des EnRs (principalement éolien et solaire) avec des éléments de stockage semble nécessaire afin de s’affranchir de la discontinuité et du manque de prévisibilité de la production d’énergie électrique des EnRs. Parmi les différentes technologies existantes, la batterie à hydrogène se dégage comme une solution prometteuse. Pouvant délivrer de l’énergie électrique à partir d’hydrogène pendant quelques heures ou jusqu’à plusieurs jours en fonction du dimensionnement du réservoir d’hydrogène, la puissance fournie par le système de stockage peut aller typiquement du kilowatt au mégawatt. Ce découplage puissance-énergie est l’un des points forts de la technologie hydrogène.
Les points suivants reviennent sur le développement des EnRs, le couplage des EnRs avec un élément de stockage et la batterie hydrogène.
Un contexte favorable au développement des EnRs
Le caractère fini des énergies fossiles (gaz, charbon, pétrole) est souvent abordé par la question du ‘peak-oil’ – moment où la production mondiale de pétrole a/aura atteint son maximum -. Mais cette question est finalement secondaire. Au-delà de la quantité d’énergie fossile restante et du coût de production toujours plus cher des énergies fossiles, le constat est que les énergies fossiles sont rares et épuisables ce qui impose l’utilisation de nouvelles sources d’énergies alternatives.
Principe de fonctionnement PAC et ELYZ PEM et modèle électrique de la PAC de la thèse
Le principe d’une cellule élémentaire et sa version empilée appelé ‘stack’ est introduit pour les composants électrochimiques PEM. Fonctionnant à basse pression (typiquement PAC : 1-5bars, ELYZ : 1-50bars) et basse température (70°C-80°C), la tension aux bornes des éléments électrochimiques PEM est proportionnelle au nombre de cellules élémentaires mises en série et le courant est proportionnel à la surface active. La courbe de polarisation, autrement dit la caractéristique tension courant, de la pile à combustible utilisée comme hypothèse de travail est présentée.
Principe de fonctionnement des composants électrochimiques PEM
A la manière des convertisseurs buck et boost qui diffèrent seulement par le sens de transfert de l’énergie électrique (§2.2.1), la pile à combustible et l’électrolyseur sont des composants électrochimiques siège de la même réaction électrochimiques mais dont le sens de transformation diffère. L’électrolyseur produit de l’hydrogène, de l’oxygène et de la chaleur à partir de l’électricité et de l’eau. Cette réaction est exothermique en pratique car la réaction endothermique décrite dans l’équation réversible ne tient pas compte des pertes. La pile à combustible génère de l’électricité, de la chaleur et de l’eau à partir de l’hydrogène et de l’oxygène.
La séparation des deux composants électrochimiques PAC et ELYZ se justifie car l’optimisation de leurs performances se traduit par des cœurs différents (AME Assemblage Membrane Electrode ou MEA ‘Membrane Electrode Assembly’). L’épaisseur de la membrane est habituellement plus épaisse en ELYZ qu’en PAC. Les électrodes ont des propriétés contraires (électrode de type hydrophobe pour la PAC et hydrophile pour ELYZ) ce qui se traduit par une constitution différente. La quantité et le type de catalyseur peut être différent (les catalyseurs sont typiquement du platine hormis à l’électrode positive de l’ELYZ qui est usuellement de l’oxyde d’iridium). Contrairement aux batteries ou aux piles traditionnelles, la pile à combustible et l’électrolyseur fournissent de manière continue de l’électricité ou du gaz tant qu’ils sont alimentés.
Dans le cas de la PAC, l’anode (oxydation de l’hydrogène) est l’électrode négative et la cathode (réduction de l’oxygène) est l’électrode positive. La polarité des électrodes est inversée dans le cas de l’électrolyseur, l’anode est l’électrode positive (dégagement de l’oxygène) et la cathode est l’électrode négative (dégagement de l’hydrogène). L’électrolyte qui sépare les deux électrodes est une membrane acide polymère qui est à la fois un bon conducteur protonique, un bon isolant électronique et est imperméable aux gaz. Couramment employé, le Nafion ® de DuPont ne supporte pas une température supérieure à 90°C, raison pour laquelle la température de fonctionnement est régulée et est de l’ordre de 70°C-80°C. Les molécules d’hydrogène H2 sont dissociées en protons et électrons à l’anode. Les protons H+ traversent la membrane alors que les électrons e- passent d’une électrode à l’autre via un circuit électrique extérieur. Le courant électrique circule grâce aux plaques collectrices ou plaques bipolaires. Celles-ci assurent le passage des fluides et le refroidissement de la cellule qui dégage de la chaleur. Les plaques bipolaires sont typiquement en graphite ou métalliques. A la cathode, les électrons, les protons et l’oxygène se combinent pour former des molécules d’eau.
La tension aux bornes d’une cellule élémentaire est faible. Typiquement, la tension de fonctionnement est de l’ordre de 0.6V-0.7V au point de fonctionnement nominal pour la pile à combustible et de l’ordre de 1.8V-2V pour l’électrolyseur. La Figure 1.5 montre l’allure typique de polarisation d’une pile à combustible et d’un électrolyseur. La courbe de polarisation de la pile à combustible est représentée en convention générateur (courbe en bleu) avec un courant positif, la caractéristique de polarisation de l’électrolyseur est représentée en convention récepteur (courbe en vert) avec un courant négatif. Les pertes dans les composants se manifestent par des chutes de tension dans le cas de la pile à combustible et par des surtensions dans le cas de l’électrolyseur. La caractéristique tension courant des éléments électrochimiques est d’autant plus éloignée de la tension réversible que le courant est élevé (la tension théorique à vide est égale au potentiel de Nernst, soit 1.23V dans les conditions standards de pression et de température 1atm 25°C).
Afin d’augmenter la tension des éléments élémentaires, les cellules élémentaires sont mises en série au sein d’un empilement appelé ‘stack’, les circuits de refroidissement sont mis en parallèle. En supposant la caractéristique des cellules élémentaires identiques, la tension aux bornes du stack est nstack fois égale à la tension d’une cellule élémentaire, avec nstack le nombre de cellules élémentaires en série. Dans la pratique, les stacks peuvent utiliser jusqu’à environ 100 ou 150 cellules pour des raisons principalement mécaniques. Pour un stack de pile à combustible de 100 cellules, la tension à vide sera typiquement de l’ordre de 100V à vide et de 60-70V au point de fonctionnement nominal. Pour un stack d’électrolyseur, la tension à vide sera de l’ordre de 140V pour une tension de 180V-200V au point de fonctionnement nominal. Le courant fourni par une cellule élémentaire dépend de la surface active. Pour une densité de courant donnée (typiquement 1-2A/cm² pour les PACs et ELYZs PEM), le courant total est proportionnel à la surface active. Pour des raisons financières, des surfaces de plusieurs centaines de centimètres carrés sont privilégiées. Les stacks pile à combustible et électrolyseur de forte puissance ont donc une caractéristique basse tension fort courant compte tenu des contraintes de réalisation et de coût.
Chaines de conversion de puissance
Les éléments électrochimiques de la batterie hydrogène sont reliés au réseau électrique triphasé 400V 50Hz (caractéristiques du réseau européen) via des chaînes de conversion de puissance. Issu de la collaboration avec HELION, l’électrolyseur PEM considéré dans la thèse possède une puissance nominale de 50kW pour une tension variant de 120V (à vide) à 166V au point de fonctionnement nominal (200V en fin de vie). La tension de la pile à combustible PEM varie de 100V à vide à 70V au point de fonctionnement nominal (60V en fin de vie) pour une puissance délivrée de 50kW. Avec une tension plus faible et un courant plus élevé, la pile à combustible est plus défavorable pour la conversion de l’énergie électrique. Pour cette raison, l’élément électrochimique considéré tout au long de la thèse est la pile à combustible.
Axes de recherches et plan de la thèse
Deux axes de recherches ont été développés durant la thèse en vue d’améliorer le rendement des chaînes de conversion. Le premier axe de recherche a concerné un aspect topologie avec la structure miroir. Le deuxième axe de recherche est orienté technologie avec la mise en œuvre de composant au nitrure de gallium GaN. La structure miroir apporte une réponse au besoin d’un convertisseur DC-DC possédant un haut rendement à fort ratio de conversion. L’étude théorique montre l’intérêt de la structure par rapport aux topologies classiques série et parallèle dans le cas général multicellulaires.
L’étude détaillée de la topologie miroir dans le cas de macro-cellule 2 niveaux fournit les contraintes sur les composants de puissance et les éléments passifs. Deux expérimentations, la première en mode abaisseur de tension (bus continus des futurs ‘avions plus électriques’) et la seconde, en mode élévateur de tension (émulation de la pile à combustible précédemment introduite) valident la partie théorique et montrent les meilleures performances de la topologie miroir par rapport aux structures conventionnelles.
La nécessité de proposer des produits industriels compétitifs conduit à chercher des technologies de rupture permettant de réduire le coût. S’inscrivant dans ce contexte, la mise en œuvre des premiers composants de puissance GaN (commercialement disponible) a pour but d’évaluer et d’explorer le potentiel de cette technologie. Utilisés depuis de nombreuses années en RF (radio fréquence) mais récemment apparu dans le domaine de la conversion statique (2009), les premiers composants de puissance GaN présentent des caractéristiques prometteuses. Les propriétés du matériau GaN et la structure des composants de puissance laissent présager des composants aux performances inégalées et dont le coût sera compétitif par rapport aux composants Silicium. Plusieurs cartes de puissance ont été conçues, réalisées et testées au laboratoire LAPLACE et sur la plateforme 3DPHI durant cette thèse. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis d’illustrer les défis technologique et scientifique nécessaires à la mise en œuvre de ces composants et de démontrer le fort potentiel de cette technologie.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 Introduction
1.1 Introduction
1.2 Principe de fonctionnement PAC et ELYZ PEM et modèle électrique de la PAC de la thèse
1.2.1 Principe de fonctionnement des composants électrochimiques PEM
1.2.2 Modèle statique – application à une PAC PEM 50kW
1.3 Chaines de conversion de puissance
1.4 Axes de recherches et plan de la thèse
1.5 Conclusion
Chapitre 2 Apport topologique : convertisseurs ‘miroir’ et multicellulaires
2.1 Introduction
2.2 Convertisseur DC-DC non isolé
2.2.1 Convertisseur de type buck ou boost
2.2.2 Convertisseur de type double buck/double boost
2.2.3 Comparaison des énergies entre les deux topologies classiques
2.2.4 Conclusion
2.3 Convertisseur ‘miroir’
2.3.1 Introduction
2.3.2 Du convertisseur buck ou boost au convertisseur miroir
2.3.3 Principales caractéristiques de la topologie miroir
2.4 Convertisseur miroir buck/miroir boost étudié dans la thèse
2.4.1 Présentation de la topologie miroir buck/miroir boost
2.4.2 Fonctionnement
2.4.3 Fonction de transfert – ratio de conversion
2.4.4 Contraintes sur les composants de puissance
2.4.5 Dimensionnement des éléments passifs
2.4.6 Comparaison des énergies avec les topologies classiques
2.4.7 Conclusion
2.5 Conclusion du chapitre
Chapitre 3 Convertisseur miroir – Partie expérimentale
3.1 Introduction
3.2 Comparaison expérimentale entre un convertisseur buck et un convertisseur miroir buck pour une application 3.6kW 270V-540V/28V
3.2.1 Objectifs
3.2.2 Prototype
3.2.2.1 Réalisation
3.2.2.2 Commande
3.2.3 Mesures
3.2.4 Rendements
3.2.4.1 Rendement théorique
3.2.4.2 Résultats
3.2.5 Conclusion
3.3 Convertisseur miroir boost 8 phases avec ICT pour une application pile à combustible 50kW
3.3.1 Objectifs
3.3.2 Prototype
3.3.2.1 Réalisation
3.3.2.2 ICT
3.3.2.3 Commande
3.3.3 Mesures
3.3.4 Rendements
3.3.4.1 Rendement théorique
3.3.4.2 Résultats
3.3.4.3 Comparaison avec la topologie double boost
3.3.5 Conclusion
3.4 Conclusion du chapitre
Chapitre 4 Apport technologique : composants de puissance au Nitrure de Gallium (GaN)
4.1 Introduction
4.2 Introduction à la technologie HEMT GaN
4.3 Caractéristiques des composants GaN utilisés
4.3.1 Présentation
4.3.2 Fonctionnement en mode diode
4.3.3 Commande des composants GaN
4.3.4 Package LGA
4.4 Conclusion du chapitre
Conclusion Générale
