Sujet de Thèse
Titre :
Gestion de la production de l'hydrogène vert : dimensionnement, modélisation et optimisation
Dates :
2024/04/01 - 2027/03/31
Encadrant(s) :
Autre(s) encadrant(s) :
Meziane Ait Ziane (meziane.ait-ziane@univ-lorraine.fr)
, Melika Hinaje (melika.hinaje@univ-lorraine.fr)
Description :
I) Contexte
Le vecteur hydrogène est considéré comme un facteur clé dans la stratégie globale de réduction des émissions de gaz à effet de serre CO2. Cette
stratégie repose sur l'expansion des énergies renouvelables, en particulier l'énergie éolienne et l'énergie photovoltaïque (PV). La production et le
stockage de l'énergie excédentaire provenant des sources d'énergie renouvelables (SER) sous forme d'hydrogène ont fait l'objet d'un grand nombre de
recherches scientifiques au cours de la dernière décennie. La production d'hydrogène vert est assurée par des systèmes d'électrolyse.
Fondamentalement, la technologie des électrolyseurs d'eau peut être classée en deux catégories : la technologie à basse température (alcaline et PEM)
et la technologie à haute température (électrolyseur à oxyde solide). La technologie alcaline est la plus mature et la plus répandue de ces
technologies. Cependant, les électrolyseurs alcalins présentent certaines limites lorsqu'ils fonctionnent avec des SER fluctuantes. Ils ont une faible
densité de courant et doivent fonctionner dans une plage de 20 % à 100 % de la puissance nominale. Lorsqu'ils sont associés à des sources
renouvelables fluctuantes, les électrolyseurs alcalins sont soumis à un fonctionnement dynamique à charge partielle et à des arrêts fréquents, ce qui
peut entraîner une dégradation plus rapide. En revanche, les électrolyseurs (PEM) ont l'avantage de fonctionner à une densité de courant élevée et
sont capables de tolérer les fluctuations de courant provenant des ressources renouvelables. La limite de cette technologie est son coût élevé, dû à
l'utilisation d'un métal noble tel que le platine.
Plusieurs études traitent de la production d'hydrogène vert en le couplant à des sources d'énergie renouvelables, en particulier l'énergie éolienne et les
panneaux solaires (PV), et du dimensionnement des systèmes. Lors du dimensionnement des systèmes d'électrolyse, une seule technologie a été prise
en compte : les électrolyseurs alcalins ou PEM.
II) Objectifs de recherche de thèse
L'objectif de cette thèse est de gérer la production d'hydrogène vert en couplant les avantages des deux technologies d'électrolyseurs (alcalin et PEM)
afin d'augmenter l'efficacité du système de production d'hydrogène et de minimiser l'effet de dégradation des fluctuations de courant appliquées aux
électrolyseurs. Il existe peu de travaux dans la littérature qui traitent de la production d'hydrogène vert en couplant les deux technologies.
Afin d'atteindre l'objectif de cette thèse, trois étapes sont considérées :
i) Le dimensionnement des systèmes de production d'hydrogène vert doit prendre en compte les deux technologies et l'impact de la dégradation due
au couplage avec les sources d'énergie renouvelables (SER).
ii) Une modélisation dynamique orientée contrôle des systèmes d'électrolyseurs doit être réalisée pour observer les différentes variables de
l'électrolyseur afin d'augmenter l'efficacité du système de production d'hydrogène vert. La modélisation doit prendre en compte les auxiliaires de
l'électrolyseur (système d'alimentation en eau, système de refroidissement, gestion de la pression).
iii) L'optimisation du système de production d'hydrogène vert consiste à développer des stratégies de contrôle de bas niveau, c'est-à-dire à faire
fonctionner les électrolyseurs dans des conditions favorables pour minimiser la consommation d'énergie, et des stratégies de contrôle et
d'optimisation de haut niveau pour garantir une meilleure gestion de la production d'hydrogène, en tenant compte des deux technologies d'électrolyse
(alcaline et PEM).
III) Déroulement de la thèse
0 - 6 mois : consacrés à une étude bibliographique de la littérature existante sur la production d'hydrogène à partir de sources d'énergie renouvelables,
systèmes d'alimentation des électrolyseurs et sur le fonctionnement des deux technologies d'électrolyse (alcaline et PEM).
6 mois - 12 mois : consacrés à la modélisation et à la caractérisation des systèmes d'électrolyse (PEM et alcalins). La caractérisation des
électrolyseurs sera réalisée sur les bancs d'essais du laboratoire.
12 mois - 18 mois : le doctorant conçoit le système de production d'hydrogène à partir de sources d'énergie renouvelables. Une approche
expérimentale est considérée pour cette phase. Un article de conférence sera publié pour cette partie.
18 mois - 30 mois : le doctorant développera des stratégies de contrôle et de gestion pour la production d'hydrogène. Un article de journal sera publié
pour cette partie.
30 mois - 36 mois : consacrés à la rédaction de la thèse.
Le vecteur hydrogène est considéré comme un facteur clé dans la stratégie globale de réduction des émissions de gaz à effet de serre CO2. Cette
stratégie repose sur l'expansion des énergies renouvelables, en particulier l'énergie éolienne et l'énergie photovoltaïque (PV). La production et le
stockage de l'énergie excédentaire provenant des sources d'énergie renouvelables (SER) sous forme d'hydrogène ont fait l'objet d'un grand nombre de
recherches scientifiques au cours de la dernière décennie. La production d'hydrogène vert est assurée par des systèmes d'électrolyse.
Fondamentalement, la technologie des électrolyseurs d'eau peut être classée en deux catégories : la technologie à basse température (alcaline et PEM)
et la technologie à haute température (électrolyseur à oxyde solide). La technologie alcaline est la plus mature et la plus répandue de ces
technologies. Cependant, les électrolyseurs alcalins présentent certaines limites lorsqu'ils fonctionnent avec des SER fluctuantes. Ils ont une faible
densité de courant et doivent fonctionner dans une plage de 20 % à 100 % de la puissance nominale. Lorsqu'ils sont associés à des sources
renouvelables fluctuantes, les électrolyseurs alcalins sont soumis à un fonctionnement dynamique à charge partielle et à des arrêts fréquents, ce qui
peut entraîner une dégradation plus rapide. En revanche, les électrolyseurs (PEM) ont l'avantage de fonctionner à une densité de courant élevée et
sont capables de tolérer les fluctuations de courant provenant des ressources renouvelables. La limite de cette technologie est son coût élevé, dû à
l'utilisation d'un métal noble tel que le platine.
Plusieurs études traitent de la production d'hydrogène vert en le couplant à des sources d'énergie renouvelables, en particulier l'énergie éolienne et les
panneaux solaires (PV), et du dimensionnement des systèmes. Lors du dimensionnement des systèmes d'électrolyse, une seule technologie a été prise
en compte : les électrolyseurs alcalins ou PEM.
II) Objectifs de recherche de thèse
L'objectif de cette thèse est de gérer la production d'hydrogène vert en couplant les avantages des deux technologies d'électrolyseurs (alcalin et PEM)
afin d'augmenter l'efficacité du système de production d'hydrogène et de minimiser l'effet de dégradation des fluctuations de courant appliquées aux
électrolyseurs. Il existe peu de travaux dans la littérature qui traitent de la production d'hydrogène vert en couplant les deux technologies.
Afin d'atteindre l'objectif de cette thèse, trois étapes sont considérées :
i) Le dimensionnement des systèmes de production d'hydrogène vert doit prendre en compte les deux technologies et l'impact de la dégradation due
au couplage avec les sources d'énergie renouvelables (SER).
ii) Une modélisation dynamique orientée contrôle des systèmes d'électrolyseurs doit être réalisée pour observer les différentes variables de
l'électrolyseur afin d'augmenter l'efficacité du système de production d'hydrogène vert. La modélisation doit prendre en compte les auxiliaires de
l'électrolyseur (système d'alimentation en eau, système de refroidissement, gestion de la pression).
iii) L'optimisation du système de production d'hydrogène vert consiste à développer des stratégies de contrôle de bas niveau, c'est-à-dire à faire
fonctionner les électrolyseurs dans des conditions favorables pour minimiser la consommation d'énergie, et des stratégies de contrôle et
d'optimisation de haut niveau pour garantir une meilleure gestion de la production d'hydrogène, en tenant compte des deux technologies d'électrolyse
(alcaline et PEM).
III) Déroulement de la thèse
0 - 6 mois : consacrés à une étude bibliographique de la littérature existante sur la production d'hydrogène à partir de sources d'énergie renouvelables,
systèmes d'alimentation des électrolyseurs et sur le fonctionnement des deux technologies d'électrolyse (alcaline et PEM).
6 mois - 12 mois : consacrés à la modélisation et à la caractérisation des systèmes d'électrolyse (PEM et alcalins). La caractérisation des
électrolyseurs sera réalisée sur les bancs d'essais du laboratoire.
12 mois - 18 mois : le doctorant conçoit le système de production d'hydrogène à partir de sources d'énergie renouvelables. Une approche
expérimentale est considérée pour cette phase. Un article de conférence sera publié pour cette partie.
18 mois - 30 mois : le doctorant développera des stratégies de contrôle et de gestion pour la production d'hydrogène. Un article de journal sera publié
pour cette partie.
30 mois - 36 mois : consacrés à la rédaction de la thèse.
Mots clés :
Hydrogène, électrolyseur, modélisation, commande, optimisation, sources d'énergie renouvelables
Département(s) :
| Contrôle Identification Diagnostic |
Financement :
Bourse attribuée par PETROLEUM TECHNOLOGY DEVELOPMENT FUND du Nigeria