CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

micro-réseau isolé de cogénération intelligente d'électricité/froid – RECIF

Micro-réseau électrique intelligent : système isolé de co-production/stockage d’électricité et de froid en climat tropical

Objectif : réduire les émissions de CO2 pour la production d’électricité et de froid. Verrou : intermittence des sources d’énergie propres les plus courantes. Solution : i) intégration de plusieurs dispositifs de stockage d’énergie (électrique et thermique), ii) prévisibilité de la ressource et de la charge. Proposition : couplage de 3 technologies de stockage/production d’électricité et de froid dans un micro-réseau intelligent pour les secteurs bâtiment/industrie

Stockage de froid et valorisation de la chaleur rejetée par la brique hydrogène-énergie

Les procédés thermochimiques sont basés sur des réactions chimiques solide/gaz renversables. Ils permettent de stocker de l'énergie sous la forme d'un potentiel chimique pour une production différée de froid. Ils sont particulièrement pertinents de par leur flexibilité de fonctionnement et leur forte densité énergétique effective de stockage. Les réactions chimiques peuvent être pilotées mécaniquement par compresseur, et/ou thermiquement par apport extérieur de chaleur. L’efficacité énergétique du système de stockage est optimale lorsque les 2 méthodes sont utilisées. <br />Le stockage électrique sous forme d'hydrogène est très compétitif en regard des technologies classiques électrochimiques. Il est d’autant plus intéressant si l’énergie utilisée pour l’électrolyse de l’eau est d’origine renouvelable. L’électricité est ensuite produite par le biais d’un système pile à combustible dont le rendement électrique est en général bien supérieur aux machines thermiques. Cependant, une part importante d’énergie reste dissipée sous forme de chaleur lors de ce processus de stockage/déstockage énergétique. <br />Notre objectif vise la conception d’un système de stockage/production d'électricité/froid, par vecteur hydrogène-énergie, énergie solaire et procédé thermochimique et par la stratégie de pilotage et de gestion de ce micro-réseau face à des ressources intermittentes et une courbe de charge variable. Notre démarche vise l'optimisation des performances de ce micro-réseau en termes d'autonomie, de fourniture et d’efficacité énergétiques. L’originalité du projet repose sur le couplage des 2 technologies afin de valoriser l’énergie thermique rejetée par la brique hydrogène-énergie lors de son fonctionnement pour augmenter l’efficacité énergétique du système stockage thermochimique. <br />L’objectif in fine est d’apporter la preuve du concept technologique par une approche à la fois numérique et expérimentale : réalisation d’un prototype à échelle réduite représentative en Polynésie française.

Pour optimiser le couplage dynamique des 2 technologies de stockage à l'échelle du micro-réseau, notre approche associera des développements numériques et expérimentaux. Nous nous appuierons dans un premier temps sur une modélisation à l'échelle des composants pour caractériser le comportement intrinsèque en régime dynamique du réacteur, du compresseur, de l’électrolyseur, du stockage d’hydrogène, de la pile à combustible et de l’accumulateur électrochimique. En particulier, nous prendrons en compte les transferts de chaleur et de masse couplés à une cinétique chimique au sein du réacteur, l'évolution des rendements isentropiques et volumétrique du compresseur en fonction de la variation du taux de compression auquel il est soumis (résultant du couplage) et de sa vitesse de rotation (résultant du champ PV et de la ressource solaire), la thermicité de la pile à combustible et de l’électrolyseur en lien avec leur demande/alimentation en courant. En second lieu, un modèle global du procédé sera développé en s’appuyant sur le formalisme REM (Représentation Energétique Macroscopique), à la causalité physique intrinsèque, permettant d’analyser les interactions dynamiques entre les composants et optimiser les performances à l'échelle du procédé.
La prévision de production PV sera étudiée pour plusieurs horizons. A très courte échéance (infra-horaire), la prévision sera faite à partir d’images grand angle et de techniques utilisant les réseaux de neurones. A courte échéance (quelques heures), la prévision se fera à partir d’analyse d’images du satellite GOES17. Enfin, à plus longue échéance, jusqu’à quelques jours, nous utiliserons un modèle numérique régional à maille fine forcé par un modèle global de prévision.
Nous mènerons en Polynésie plusieurs campagnes de mesures de consommation électrique en distinguant l’énergie consacrée à la production de froid. Nous visons différents types de bâtiments dont la consommation est comprise entre 1 et 100kW et climatisés la nuit.

Résultats attendus :
- Modèle REM du système H2 complet
- Algorithme de gestion énergétique pour le système H2
- Modèles de composants : réacteur thermochimique, compresseur, évaporateur, condenseur
- Principes et hypothèses, paramètres et valeurs cibles, études de sensibilité paramétriques
- Modèle global couplant le réacteur thermochimique exploitant une source thermique variable et le compresseur du cycle frigorifique
- Outil de prévision de la production d’énergie photovoltaïque sur plusieurs horizons : infra-horaire, - infra-journalier, infra hebdomadaire
- Profils types de consommation de bâtiments présentant des besoins en climatisation et réfrigération
- Modèle REM + logiciel de simulation (Matlab/Simulink) du système complet
- Algorithme de supervision des flux énergétiques, implantable en temps réel
- Plans de réalisation et d’installation du prototype

Les questions liées à la valorisation et au transfert des résultats obtenus seront traitées en lien étroit avec la société H2SYS notamment. Sur la base des résultats obtenus, une analyse prospective technico-économique sera menée en considérant l’utilisation de piles à combustible HT-PEMFC et SOFC en lieu et place de la pile à combustible PEMFC considérée. En effet, l’utilisation de telles piles à combustible, fonctionnant à température plus élevée, couplée à l’utilisation d’autres sels pour le stockage thermochimique, peut permettre la production de froid à températures négatives, compatibles à une application pour la congélation d’aliments. Pour ce faire, les modèles de simulation seront adaptés (de manière macroscopique) et les coûts des systèmes seront comparés, en utilisant des données disponibles dans la littérature et/ou chez les partenaires du projet.

La communication et la dissémination des résultats seront opérées sur l’ensemble de la durée du projet. Un objectif de 6 publications dans des revues internationales à facteur d’impact, de 6 communications dans des conférences internationales à comité de lecture, d’1 brevet et d’1 dépôt logiciel sont fixés.
Actuellement, 3 publications sont en cours de rédaction :
- Etat de l’art sur la cogénération, trigénération et la gestion de l’énergie des systèmes à base de piles à combustible,
- «Technical economic analysis of PV–driven Electricity / Cold cogeneration systems using Particle Swarm Optimization algorithm«,
- Prévision intra-horaire du GHI par image grand angle et réseau de neurones à convolution
Suivant le déroulé du projet, le consortium envisagera la possibilité de protéger la technologie au travers de titres de propriété intellectuelle (Brevets, protection des logiciels/algorithmes…).
L’organisation d’un workshop international sur les micro-réseaux électriques intelligents sera organisé en décembre 2022.

L’urgence à réduire significativement la production de gaz à effet de serre est aujourd’hui sans équivoque. La substitution des énergies carbonées par des énergies propres et renouvelables (EnR) est une des solutions techniques qui permettra de minimiser le dérèglement climatique. Mais la production d’électricité à partir de ces nouvelles ressources est intermittente, peu contrôlable et pas toujours en phase avec la demande. Elle ne permet donc plus de fournir un service de qualité et sécurisé.

Il est donc impératif d’associer des dispositifs de stockage d’énergie, électriques et/ou thermiques, pour palier l’intermittence des EnR. Les techniques de stockage sont variées et se caractérisent par leur nature (électrique, chimique, mécanique, thermique…) et par leurs performances en termes de rendement, de capacité de stockage, de temps de charge/décharge et de réaction, de durée de vie, d’autonomie et de coût. La diversité des critères est telle qu’il n’existe pas, à ce jour, un système de stockage « idéal ».
Les procédés thermochimiques de stockage et les piles à combustible couplées à un stockage d'hydrogène constituent des solutions innovantes et prometteuses.

Les procédés thermochimiques sont basés sur des réactions chimiques solide/gaz renversables. Ils permettent de stocker de l'énergie sous la forme d'un potentiel pour une production différée directe de froid. Ils sont particulièrement pertinents pour le stockage/production de froid, de par leur flexibilité de fonctionnement et leur forte densité énergétique effective de stockage. Les réactions chimiques sont pilotées mécaniquement (compresseur) et/ou thermiquement, par apport extérieur de chaleur. L’efficacité énergétique du système de stockage est optimale lorsque les deux méthodes sont utilisées.

Le stockage électrique sous forme d'hydrogène est très compétitif en regard des technologies classiques électrochimiques. Il est d’autant plus intéressant si l’énergie utilisée pour l’électrolyse de l’eau et donc la production d’hydrogène, est d’origine renouvelable. L’électricité est ensuite produite par le biais d’un système pile à combustible (PàC) dont le rendement électrique est en général bien supérieur aux machines thermiques. Cependant, une part importante d’énergie est dissipée sous forme de chaleur lors de ce processus de stockage/déstockage énergétique.
L’idée sur laquelle repose ce projet est de coupler les 2 systèmes de stockage afin de valoriser l’énergie thermique rejetée par la brique hydrogène-énergie lors de son fonctionnement pour ainsi augmenter l’efficacité énergétique du système complet.

Le cœur du projet est l'étude de l'intégration et du couplage de ces 2 technologies de stockage dans un micro-réseau intelligent, alimenté par de l’énergie solaire et destiné aux secteurs du bâtiment et de l’industrie. La démarche vise l'optimisation des performances du micro-réseau en termes d'autonomie, de fourniture et d’efficacité énergétiques. L'aspect novateur porte sur le développement et l'intégration optimale d'un système de stockage/production d'électricité/froid, par vecteur hydrogène-énergie et par procédé thermochimique et par la stratégie de pilotage et de gestion de ce micro-réseau face à des ressources intermittentes et une courbe de charge variable. Le but est d’apporter la preuve du concept technologique par une approche à la fois numérique et expérimentale. Sur la base d’une modélisation complète du système en régime dynamique, un pilote démonstrateur à échelle réduite représentative et destiné à évaluer la faisabilité et les performances de ce système complexe sera réalisé en Polynésie française, terrain expérimental particulièrement intéressant puisqu’il affiche des besoins importants en froid (hôtellerie, administrations, industrie...).

Ce projet réunit 3 équipes de recherche d'expertises complémentaires et une PME spécialisées dans le domaine des procédés de stockage d'électricité (H2, PàC) ou de froid (thermochimique) et de la météorologie.

Coordinateur du projet

Monsieur Pascal Ortega (GÉOSCIENCES DU PACIFIQUE SUD)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GEPASUD GÉOSCIENCES DU PACIFIQUE SUD
H2SYS H2SYS
FCLAB FCLAB (Fuel Cell LAB): Vers des Systèmes Pile à Combustible Efficients
PROMES Laboratoire procédés, matériaux, énergie solaire

Aide de l'ANR 623 862 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 42 Mois

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