Soutenance mémoire
Véhicules Hybrides à Pile à Combustible
Transport et énergie
Le développement des véhicules à moteur à combustion interne est qualifié parmi les meilleures réalisations de la technologie moderne. L’industrie automobile et les autres industries associées constituent l’épine dorsale de l’activité économique mondiale. Cependant, la forte utilisation de ces automobiles est d’un impact non négligeable sur l’environnement et la vie humaine en général. La pollution, le réchauffement de la planète et l’épuisement des ressources fossiles deviennent des préoccupations mondiales pour les années à venir. Dans les dernières décennies, les activités de recherche et de développement dans le secteur du transport se sont intensifiées dans le but de remplacer, dans le futur proche, les véhicules conventionnels par des véhicules plus efficaces et propres . Les véhicules électriques, hybrides électriques et hybrides à pile à combustible sont au coeur de cette recherche.
Préoccupations environnementales
Le réchauffement climatique est un phénomène d’augmentation de la température moyenne des océans et de l’atmosphère, à l’échelle mondiale et sur plusieurs années. Dans son acception commune, ce terme est appliqué au changement climatique observé depuis environ vingt-cinq ans. La plupart des scientifiques attribuent à ce réchauffement global une origine en grande partie humaine. Le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), affirme dans son dernier et quatrième rapport en 2007, auquel ont participé plus de 2 500 scientifiques de 130 pays différents [GIE07], que la probabilité que le réchauffement climatique soit d’origine humaine est de plus de 90 %. Le réchauffement climatique résulte d’une augmentation continue de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que le dioxyde de carbone et le méthane qui piègent le rayonnement infrarouge émis par la Terre. Sachant que cet effet de serre permet à l’atmosphère de se maintenir à une température moyenne de 15˚C, c’est cet effet de serre additionnel induit par les activités humaines qui est responsable du réchauffement climatique. En effet, le dioxyde de carbone est produit en très grande quantité lors de la combustion des hydrocarbures qui constituent l’essentiel des carburants utilisés dans les centrales thermiques, pour les transports routiers, aériens et maritimes. A noter que cette thèse est néanmoins encore contestée par une minorité de scientifiques pour qui, les variations du rayonnement solaire ont beaucoup plus d’influence sur la variation du climat terrestre que les rejets de (CO2) par l’homme [Dur07].
En outre, la combustion des hydrocarbures dans un moteur à combustion interne n’est jamais idéale. Elle est généralement accompagnée par l’émission, outre le (CO2) et l’eau, de gaz plus ou moins toxiques tel que le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les hydrocarbures non brulés (HC). Ces gaz ont un effet nuisible direct sur l’environnement et la santé humaine, contribuant à la formation de smog (mélange de brouillard et de fumée), des pluies acides [FK01], et d’ozone ou à un empoisonnement direct dans le cas du monoxyde de carbone [CSH05] .
Ressources fossiles
Le pétrole forme la majorité des combustibles utilisés dans le transport. Il constitue avec les autres ressources fossiles ( gaz naturel et charbon) 86% de la production d’énergie primaire mondiale (base 2005) selon l’EIA [EIA07], l’énergie hydroélectrique ne constituant que 6,3%, le nucléaire 6% et les autres énergies renouvelables (géothermique, solaire, éolienne, biomasse) 0,9%. D’autre part, les réserves de combustibles fossiles de la planète sont fixes et, au rythme actuel de la consommation, leur épuisement doit être envisagé. Fixer une date pour l’épuisement du pétrole reste controversé et dépend de la découverte de nouvelles réserves ou ce qu’on appelle les réserves non prouvées par opposition aux réserves prouvées qui par définition, selon les informations géologiques et techniques disponibles, ont une forte probabilité d’être récupérées dans le futur, à partir de gisements connus et dans les conditions technico-économiques existantes. Cependant, certaines estimations, comme l’USGS, prédisent que les réserves de pétrole deviendront économiquement inexploitables dans les années 2050.
Défis énergétiques
Considérant cet épuisement inéluctable des réserves d’énergie fossile ainsi que les préoccupations environnementales déjà évoquées, l’humanité va donc être confrontée, d’ici le milieu de ce siècle, à un gigantesque défi technique, économique et social : remplacer les énergies fossiles par des sources et des formes d’énergie renouvelables, économiquement viables et socialement acceptées. Si aucune des énergies renouvelables existantes n’est capable à elle seule de combler le vide causé par l’épuisement des réserves fossiles, c’est l’ensemble de ces sources d’énergie combinées avec une utilisation plus répandue mais contrôlée du nucléaire qui pourront assurer le besoin en énergie surtout électrique. En perspective, la fusion nucléaire contrôlée et l’énergie solaire spatiale fourniront, une fois les défis technologiques relevés, l’énergie pour plusieurs décennies .
Vecteurs d’énergie
Le lien entre la production de l’énergie et son utilisation dans le transport est assuré à l’aide de vecteurs d’énergie tel que l’électricité et l’hydrogène. Dans cette perspective, l’hydrogène s’impose de plus en plus dans les recherches récentes comme vecteur d’énergie possible de l’avenir. Si l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur, il reste l’élément le plus abondant de la nature. Il nécessite son extraction à partir d’autres matières tel que les hydrocarbures et bien entendu l’eau. Ces deux vecteurs d’énergie sont complémentaires de part leur utilisation et leur production vu que l’hydrogène est produit à partir de l’électrolyse de l’eau. Vice versa, l’électricité est produite à partir de l’hydrogène moyennant les piles à combustible sujet de notre étude. Un découplage est ainsi créé entre la production centralisée de l’électricité et son utilisation dans le transport résolvant le problème de stockage en grande quantité de l’électricité.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 Véhicules Hybrides à Pile à Combustible
1.1 Introduction
1.2 Transport et énergie
1.2.1 Préoccupations environnementales
1.2.2 Ressources fossiles
1.2.3 Défis énergétiques
1.2.4 Vecteurs d’énergie
1.3 Véhicules hybrides
1.3.1 Concept d’une chaîne de traction hybride
1.3.2 Architectures du groupe motopropulseur hybride électrique
1.3.2.1 Architecture série
1.3.2.2 Architecture parallèle
1.3.3 Véhicules hybrides à pile à combustible
1.4 La Pile à Combustible
1.4.1 Aperçu historique
1.4.2 Principe de fonctionnement
1.4.3 Types de piles à combustible
1.4.4 Pile à combustible de type PEM ou PEMFC
1.4.5 Système PAC et auxiliaires
1.4.5.1 Circuit d’alimentation en hydrogène
1.4.5.2 Circuit d’alimentation en air
1.4.5.3 Sous-systèmes de gestion d’eau et de température
1.5 Etat actuel du marché des véhicules légers à pile à combustible
1.6 Le groupe électrogène hybride à pile à combustible
1.6.1 Pack de supercondensateurs
1.6.2 Hacheur survolteur et réversible
1.6.3 Gestion de l’énergie du groupe électrogène
1.6.4 Cahier des charges et dimensionnement des éléments du groupe électrogène
1.6.4.1 Dimensionnement du stack de pile à combustible
1.6.4.2 Dimensionnement du pack de supercondensateurs
1.6.4.3 Dimensionnement des hacheurs
1.7 Conclusion
Chapitre 2 Modélisation des Pertes dans le Groupe Électrogène Hybride à Pile à Combustible
2.1 Introduction
2.2 Pertes dans le groupe électrogène à pile à combustible
2.3 Rendement de la pile à combustible
2.3.1 Rendement énergétique de la pile à combustible
2.3.2 Modèle PAC
2.3.2.1 Caractérisation de la tension
2.3.2.2 Hypothèses de simplification
2.3.2.3 Elaboration du modèle
Anode
Cathode
2.3.2.4 Identification paramétrique
2.3.2.5 Validation expérimentale
2.4 Puissance absorbée par le compresseur d’air
2.5 Pertes dans le hacheur survolteur
2.5.1 Expression des pertes énergétiques dans le hacheur
2.5.1.1 Pertes en conduction
2.5.1.2 Pertes par commutation
2.5.1.3 Calcul des courants mis en jeu dans le fonctionnement du hacheur
2.6 Résultats de la modélisation du rendement du groupe électrogène
2.7 Pertes totales dans l’élément de stockage
2.7.1 Pertes dans les supercondensateurs
2.7.2 Pertes dans le hacheur réversible
2.7.3 Limitation du modèle des pertes dans l’élément de stockage
2.8 Conclusion
Chapitre 3 Optimisation Globale de la Distribution de Puissance du Groupe Électrogène Hybride
3.1 Introduction
3.2 Formulation du problème d’optimisation
3.2.1 L’équation dynamique
3.2.2 Les contraintes
3.2.3 Le critère
3.2.4 Les approches d’optimisation adoptées
3.3 Programmation dynamique
3.3.1 Principe de la méthode
3.3.2 Implantation de l’algorithme
3.3.2.1 Discrétisation de l’espace d’optimisation
3.3.2.2 Domaine de validité
3.3.2.3 Algorithme
3.3.3 Simulation
3.3.3.1 Profils de mission
3.3.3.2 Résultats de simulation
3.3.3.3 Variation du pas de discrétisation du temps ∆t
3.3.3.4 Variation du pas de discrétisation de l’état d’énergie ∆E
3.4 Commande optimale
3.4.1 Principe de la méthode
3.4.2 Implantation de l’algorithme
3.4.2.1 Cas sans contraintes
3.4.2.2 Introduction des contraintes sur l’état
3.5 Conclusion
Conclusion Générale
