H2-EnR : Utilisation de l’hydrogène dans le cadre des énergies renouvelables et du stockage de l’énergie.
Département : Contrôle – Identification – Diagnostic. |
Contexte
Depuis septembre 2016, une équipe du laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Energie Electrique de Nancy) a été créée au sein de l’IUT de Longwy. Les activités de recherche de cette équipe se concentrent sur le développement de convertisseurs de puissance pour électrolyseurs et sur la gestion d’énergie des systèmes multi-source composés de sources d’énergie renouvelables (éolien, photovoltaïque), et de technologies à hydrogène (pile à combustible et électrolyseur). Ces deux thématiques de recherche font appel à des compétences en automatique, plus particulièrement pour les aspects contrôle/commande et tolérance aux défauts électriques (diagnostic, contrôles tolérants aux défauts). L’IUT de Longwy est équipé de 3 sources d’énergies renouvelables : une éolienne à axe horizontal, une éolienne à axe vertical et des panneaux photovoltaïques. C’est donc tout naturellement qu’une collaboration autour de l’utilisation de l’hydrogène dans le cadre des énergies renouvelables et du stockage de l’énergie électrique a été initiée entre cette équipe du GREEN et des chercheurs du CRAN localisés sur le site de Longwy : Hugues RAFARALAHY, Mohamed BOUTAYEB et Michel ZASADZINSKI pour le CRAN et Damien Guilbert pour le GREEN. Les partenaires de ce démonstrateur dédié à l’utilisation de l’hydrogène dans le cadre des énergies renouvelables et du stockage de l’énergie sont le CRAN, le GREEN et l’IUT Henri Poincaré de Longwy.
Objectifs scientifiques
Dans le cadre de l’élaboration de stratégies technologiques pour s’opposer au réchauffement climatique, il est important de développer des solutions permettant de stocker l’énergie électrique, puis de la distribuer en fonction des besoins, car cette énergie ne peut pas être conservée sur le réseau EDF. L’hydrogène représente une solution attractive et prometteuse pour stocker et fournir une énergie électrique déjà produite, les technologies à base d’hydrogène sont bien adaptées à la modularité des sources d’énergie renouvelables.
Actuellement, cette collaboration porte sur la modélisation et la commande d’un convertisseur de puissance pour alimenter un électrolyseur au sein d’une chaîne de production d’hydrogène basée sur un système éolien. Le principal inconvénient d’un système éolien est son intermittence de production d’énergie électrique en raison des conditions météorologiques. Afin de garantir des bonnes performances de l’électrolyseur, le courant ou bien la tension à la sortie du convertisseur doit être contrôlé afin de faire face à la dynamique du système éolien. En particulier, il a été décidé de contrôler l’un de ses deux paramètres à un point de fonctionnement spécifique afin d’optimiser l’efficacité globale du système incluant le convertisseur de puissance et l’électrolyseur. Ce point de fonctionnement peut être déterminé en faisant une étude approfondie de l’efficacité énergétique du convertisseur de puissance et de l’électrolyseur.
Afin de tester les lois de commande développées, un banc de test expérimental a été spécialement réalisé. Le banc permet d’émuler un système éolien alimentant un électrolyseur à membrane échangeuse de protons. Un article dans la revue International Journal of Hydrogen Energy paru en janvier 2021 : R. Maamouri, D. GUILBERT, M. ZASADZINSKI, H. RAFARALAHY, « Proton exchange membrane water electrolysis : modeling for hydrogen flow rate control ».
La suite de cette collaboration consistera à intégrer une pile à combustible dans la chaîne de production d’hydrogène contenant l’électrolyseur et à élaborer des lois de commande prenant en compte les conditions de fonctionnement de la pile à combustible en fonction de sa consommation d’hydrogène, d’une part, et de l’électrolyseur en fonction de sa production d’hydrogène, d’autre part.
Description
Ce démonstrateur est actuellement composée des éléments suivants :
— un électrolyseur à membrane échangeuse de protons ;
— un électrolyseur alcalin ;
— une pile à combustible à membrane échangeuse de protons ;
— un système de contrôle/commande constitué par un PC, un module de prototypage rapide DSPACE
équipé d’un panneau connecteur, les logiciels Matlab/Simulink ;
— divers appareils de mesures : pinces ampèremétriques, sondes de tension, oscilloscopes numériques, ...
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| FIGURE 33 – Électrolyseur à membrane échangeuse de protons avec son environnement de commande. |
FIGURE 34 – Pile à combustible à membrane échangeuse de protons. |
