Almacenamiento de electricidad a gran escala mediante hidrógeno

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Almacenamiento de electricidad a gran escala mediante hidrógeno Autor: Hernáez Martínez, Cristina Responsable de Intercambio en la Uva: Marta Herráez Sánchez Universidad de destino: ENSAM - École des Arts et Métiers 2 Valladolid, Septiembre 2022 TFG REALIZADO EN PROGRAMA DE INTERCAMBIO TÍTULO: Stockage d’électricité à grande échelle grâce au vecteur hydrogène ALUMNO: Cristina Hernáez Martínez FECHA: 6 enero 2022 CENTRO: ENSAM – École des Arts et Métiers Campus d’Aix en Provence UNIVERSIDAD: ENSAM – École des Arts et Métiers TUTOR: FAVARELL, Camille y GARAMBOIS, Pierre 3 RESUMEN Y PALABRAS CLAVE Palabras clave: Transición energética; hidrógeno; almacenamiento de energía; intermitencia; energías renovables. Resumen: En este trabajo se trata la problemática de la intermitencia de las fuentes de energía renovables, así como el reto del almacenamiento de la energía. Concretamente se basa en el principio de “Power to Gas to Power”. Este método pretende utilizar la electricidad producida de forma sostenible para obtener hidrógeno mediante electrólisis. De esta manera se busca poder volver a transformarlo en electricidad cuando se necesite mediante una pila a combustible. Esto puede ser especialmente interesante para aprovechar los picos de producción energética que experimentan las fuentes renovables, y paliar otros intervalos de producción menor. Para estudiar la viabilidad de este principio se ha realizado la modelización del sistema con Matlab, que incluye la producción de hidrógeno, el almacenamiento y la producción de electricidad mediante la pila a combustible ajustándose a datos de producción y consumo reales. Con esta modelización se analizan diversos casos de estudio. ABSTRACT AND KEYWORDS Keywords: Energy transition; hydrogen; energy storage; intermittency; renewable energies. Abstract: This report deals with the problem of the intermittency of renewable energy sources and the challenge of energy storage. Specifically, it is based on the principle of "Power to Gas to Power". This method aims to use sustainably produced electricity to obtain hydrogen by means of electrolysis. The aim is to be able to convert it back into electricity when needed by means of a fuel cell. This could be particularly interesting to take advantage of the energy production peaks experienced by renewable sources and mitigate other intervals of lower production. In order to study the feasibility of this principle, the system has been modelled with Matlab, including hydrogen production, storage and electricity production by the fuel cell, using real production and consumption data. This modelling is used to analyse various case studies. 4 Stockage d’électricité à grande échelle grâce au vecteur hydrogène _ HERNAEZ MARTINEZ Cristina RAVE Alex 5 Table des matières 1) Mise en contexte – Cadre de l’étude 6 2) Etude bibliographique 6 2.1) Système existants 6 2.1.1) Hydrogenics Canada 7 2.1.2) Projet Jupiter (Power to Gaz) [13] 7 2.1.3) Projet GRHYD [14] 7 2.2) Processus et identification des verrous 8 2.2.1) Coût de production 8 2.2.2) Production du dihydrogène 8 2.2.3) Stockage de l’hydrogène 9 2.2.4) Dangers et sécurité relatif à l’hydrogène [4] 11 2.2.5) Approvisionnement en eau pour l’électrolyse 12 2.3) Facteur d’échelle 12 3) Modélisation Matlab 13 3.1) Etapes de la modélisation 14 3.2) Limites du modèle 19 4) Etude de cas 21 4.1) Contexte de l’étude de cas 21 Cas d’étude N°1 : 24 Cas d’étude N°2 26 Cas d’étude N°2.1 : 27 Cas d’étude N°2.2 : 30 4.2) Estimation coût de l’installation pour l’étude de cas 2.2 34 5) Conclusion 38 6) Annexe : Protocole de mise en œuvre de la simulation. 40 7) Bibliographie 45 6 1) Mise en contexte – Cadre de l’étude La production et le stockage d’électricité est un enjeu majeur pour toute civilisation. En effet, il est impossible de stocker l’électricité dès lors qu’elle est injectée sur le réseau, il faut donc prévoir la consommation au mieux et posséder des moyens de fournir cette ressource en urgence, en cas de pic de consommation non prévue. De plus, il est désormais de notoriété commune que nous devons développer les énergies renouvelables afin de pallier le manque futur d’énergie fossile. Cependant, que ce soit l’éolien ou le solaire, ces moyens de productions sont de nature intermittente compte tenu de l’instabilité de l’énergie d’apport (vent, rayons solaires). Il est rare que cette énergie soit disponible durant les pics de consommations quotidiens. Ainsi, il faudrait trouver un moyen de stocker cette électricité produite tout au long de la journée et avoir un moyen de l’injecter immédiatement sur le réseau. Une solution pourrait être la filière hydrogène Power to Gas to Power. Le but ici est d’utiliser directement la puissance émise par le renouvelable pour ensuite produire de l’hydrogène grâce à un électrolyseur. Une fois le gaz produit, il faut le stocker et dès que le réseau nécessite un apport énergétique, on injecte l’hydrogène dans une pile à combustible afin de produire de l’électricité. Après avoir adapté le courant, il est possible d’alimenter directement les lignes haute tension. Lors de notre étude, nous nous concentrerons sur la viabilité de ce projet à grande échelle et étudierons plusieurs cas dont le cadre sera celui-ci : - Le système doit fournir de l’électricité sur une plage horaire maximale - Le système doit couvrir des besoins telles que l’autoconsommation ou la fourniture d’un certain pourcentage de la consommation d’une population. - Le système doit directement alimenter le réseau HTA (20kV). - L’hydrogène doit être stocké en grande quantité de manière adaptée à notre cas d’étude. Pour mener à bien notre étude, nous allons réaliser une étude bibliographique afin de déterminer les différents éléments à incorporer dans notre système (compresseur, onduleur, type d’électrolyseur et de pile à combustible), les verrous qui s’imposent, les différents facteurs d’échelle et nous détaillerons les rendements hypothétiques de ces composants. 2) Etude bibliographique 2.1) Système existants Ces dernières années des opérations de démonstration de l'association hydrogène-énergies renouvelables se sont multipliées. Parmi de nombreux exemples citons : • Pour stocker l'électricité éolienne, le Village hydrogène à Toronto (principale société impliquée : Hydrogenics), le projet de Sotanevo en Espagne (principale société impliquée : Gaz Natural) et celui de Prenzlauen en Allemagne (principale société impliquée : Enertag) ; 7 • Pour stocker l'électricité solaire en France, le projet Myrte en Corse (partenariat : Université de Corse, CEA et société Hélion) ainsi que le projet Janus de La Croix-Valmer dans le Var (principale société impliquée : AREVA) …et plusieurs programme Hydrogène en France, Allemagne, Europe, Islande, Amérique [6] 2.1.1) Hydrogenics Canada Ils sont au point du secteur, en ayant développé plusieurs électrolyseurs (fiches techniques) qui se servent de l’électrolyse alcaline comme PEM. De même ils travaillent sur la création de piles à combustibles notamment pour des applications mobiles (transports). [12] 2.1.2) Projet Jupiter (Power to Gaz) [13] Ils considèrent la méthanation pour injecter l’hydrogène et le méthane dans le réseau de gaz, mais la première partie du processus reste pareil à l’utilisation de l’hydrogène pour les piles à combustible. Capacité de production envisagée : installation innovante de production d'hydrogène d'1 MWe (à partir des éoliennes de CNR), constitué de deux électrolyseurs de deux technologies différentes : PEM (membrane) et Alcaline. 2.1.3) Projet GRHYD [14] De même, le projet de GRHYD prévoie d’utiliser l’hydrogène produit de 3 manières différentes. - Injection dans le réseau de gaz (pareil à projet Jupiter, POWER TO GAZ) - L’usage de l’hydrogène comme carburant dans les transports en commun (Projet ALTHYTUDE / 2005-2010) : Mobilité verte : Hythane, carburant composé à 80 % de gaz naturel et à 20 % d’hydrogène qui permet d’obtenir des bénéfices immédiats pour l’environnement. En effet, l’hydrogène améliore la combustion de gaz naturel, ce qui permet d’atteindre de meilleures performances techniques et de réduire les émissions de gaz à effet de serre (diminution d’environ 8 % par rapport au GNV) et les émissions de polluants locaux (réduction des NOx de 10 % par rapport au GNV) - L’expérimentation de micro-piles à combustible dans des bâtiments publics (EPACOP / 2003-2006) 8 2.2) Processus et identification des verrous 2.2.1) Coût de production Le coût de production de la filière hydrogène par Power to Gas est actuellement trois fois plus élevé que le prix de gros du gaz naturel, se situant aux alentours de 100 €/MWh, ce qui freine le développement de la technologie. Ce coût est néanmoins comparable à celui du biométhane obtenu par méthanisation (qui évolue dans une fourchette comprise entre 45 €/MWh et 125 €/MWh, selon la taille de l’installation et les produits méthanisés). Notre étude ne se concentre pas sur la production d’hydrogène. Cependant, ce frein économique ralenti les avancées technologiques notamment concernant les électrolyseurs. Pour pallier les problèmes de rentabilité du Power To Gas, l’Allemagne a mis en place un système de certificat vert. Le gaz naturel est ainsi vendu plus cher afin d’accélérer le processus de recherche autour de cette technologie. [5] Le coût global de production Power to Gas to Power tend à rester élevé car 95% de la production d’hydrogène est réalisé par vaporeformage. Ce procédé étant le moins cher il est donc très intéressant, cependant il pollue énormément, ce qui va à l’encontre de l’idée d’une production verte d’hydrogène. Ainsi l’électrolyse est développée sous différentes formes car son empreinte carbone est nulle. Cependant, ayant un prix de production en moyenne 4 fois plus élevé que le vaporeformage, ce coût reste un verrou majeur pour le l'utilisation de l’hydrogène à grande échelle. [8] Les coûts d'investissement des installations Power to Gas to Power sont principalement liés aux électrolyseurs et aux piles à combustible, tandis que les coûts d'exploitation sont principalement liés à l'électricité. Étant donné que lorsque ce projet est utilisé comme solution de stockage de l'énergie, le coût de l'électricité peut être négligé, car une quantité excessive d'électricité renouvelable peut être utilisée. Cela est avantageux sachant que notre projet porte sur ce cas d’étude, on peut imaginer une baisse du coût de l’électricité produite par cette filière au fil des ans. [15] 2.2.2) Production du dihydrogène Pour que la filière Power to Gas to Power soit la moins polluante possible, il est nécessaire de produire le dihydrogène par électrolyse puisque les autres méthodes moins coûteuses comme le vaporeformage sont polluantes. En ce qui concerne donc les sources propres de production, il existe 3 types d’électrolyse différentes qui ont chacune des avantages et des verrous qui freinent de développement de la filière hydrogène : 9 Figure 1 · Représentation des 3 modes de production d’hydrogène par électrolyse [9] L’électrolyse alcaline : C’est une méthode désormais bien maîtrisée avec un rendement allant de 68 à 77%. Cependant, la densité de courant pouvant être exploitée est faible et les électrodes sont soumises à une forte corrosion, ce qui demande un entretien régulier [8]. De plus ce système n’est pas très flexible et s’adapte mal aux intermittences des systèmes de productions d’énergie renouvelable [9]. L’électrolyse PEM (proton exchange membrane) : C’est une méthode en plein essor, elle utilise 2 électrodes et une membrane échangeuse de proton. Avec un rendement allant de 62 à 77% elle est plus compacte, plus réactive et réagit mieux aux intermittences que l’électrolyse alcaline. De plus les coûts de maintenance sont moindres, cependant la durée de vie de la membrane reste limitée (20 000h contre 80 000 pour l’électrolyse alcaline) et le coût global du système reste onéreux. [8] [9] L’électrolyse SOEC (solid oxide electrolyzer cell) : Cette méthode présente un fort potentiel, son principe consiste à électrolyser de la vapeur d’eau à la cathode à haute température (jusqu’à 800°C), la chaleur produite peut être récupérée sur les gaz en sortie mais cela nécessite des électrodes en céramique conductrices d’ions O2-. De plus cette technologie est réversible, elle peut également être utilisée comme pile à combustible. Avec un rendement pouvant atteindre 90%, cette alternative est considérée comme la plus intéressante. Cependant, elle est encore en stade de développement et sa commercialisation devrait arriver d’ici 2025. De plus la durée de vie est limitée du fait de la faible longévité des électrodes en céramique et la fragilité des matériaux employés. Le problème majeur reste la tenue mécanique des composants durant les cycles thermiques ainsi que la difficulté à maintenir une bonne étanchéité des différents compartiments. [8] [9]. La technologie PEM sera privilégiée dans notre cas, car c’est celle qui est la plus efficace malgré sa faible maturité technologique. 2.2.3) Stockage de l’hydrogène Le stockage est un enjeu majeur du développement de l’hydrogène car ne notre capacité à emmagasiné le maximum de ces ressources dans le minimum d’espace dépendra les applications technologiques (transports, production d’électricité, …) 16 4. Détermination de la caractéristique de la charge en fonction de la puissance de sortie de la pile Ici nous avons voulu déterminer une équation permettant de lier la puissance voulue en sortie de la pile avec la charge imposée à cette dernière. Ainsi, grâce à un script nous avons fait varier la charge et récupérer les puissances correspondantes dans un tableur. Cela nous a permis de tracer une approximation polynomiale et donc de déterminer l’équation que nous recherchions. Cela nous a permis par la suite d’asservir la pile en fonction des différentes valeurs de consommation recueillies. En effet nous avons pu fixer une charge correspondante à la puissance demandée à la pile pour chaque pas de temps. Figure 6 · Courbe de résistance en fonction de la charge à fournir Figure 5 · Modèle 2 Simulink 17 5. Modèle retenu avec des systèmes indépendants Pour un démarrage correct de la simulation, un protocole de fonctionnement sera inclus dans les annexes, détaillant les étapes importantes et les informations à prendre en compte. Toutefois, voici une brève explication de l'idée de la conception du modèle et de la séquence qu'il suit. Comme il est commenté dans le point précèdent la condition d’entrée de la pile sera cette fois une résistance variable pilotée grâce à un script et à l’équation déterminée auparavant. Il est important de remarquer que pour effectuer la simulation complète on utilise deux modèles qui seront présentés ci-dessous. La démarche est la suivante : MODÈLE PAC En effet, le modèle PAC utilise la résistance variable qui se trouve en bas de l’image. Ensuite on récupère dans un tableur les données du débit du scope entouré en rouge « Consommation de H2 », pour l’implémenter comme entrée du modèle général. Parametres et evaluation charge PAC •Fichier Matlab à completer avec les données souhaitées •Permet de simuler le système Fuel Cell avec les puissances voulues en entrées •Run fichier : lance les deux modèles Simulink Modèle PAC •Entrée du modèle : charge variable qui s'adapte à la puissance demandée •Pour chaque "p_time" la résistance est evaluée •Génération de données sur le débit d'H2 consommé par la PAC pour répondre aux besoins en puissance Modèle général •2 Entrées: •Puissance produite disponible ENR •Débit de H2 demandé pour la PAC •Gère le démarrage de la pile et de l'ectrolyseur en fonction du volume d'hydrogène disponible. •Montre le volume stocké Figure 7 · Chaîne de la démarche de la simulation 18 MODÈLE GÉNÉRAL de base : Grâce au bloc « From workspace » on récupère l’information du débit d’hydrogène consommé par la pile à combustible (cadre jaune). Les cadre de conditions d’activation permettent de contrôler le volume stocké afin de respecter le cahier des charges concernant l’activation de la pile. Le reste du système fonctionne de manière similaire aux dernières versions. Dans ce modèle, l’électrolyseur fonctionne en permanence afin de ne pas perdre d’énergie issue des panneaux solaires. Figure 8 · Modèle Simulink pour la pile à combustible Figure 9 · Modèle Simulink générale I 19 MODÈLE GÉNERAL retenu pour l’étude de cas : Par la suite nous allons utiliser le modèle suivant pour procéder à une étude de cas, car celui-ci possède la meilleure manière d’exploiter la source d’énergie parmi ceux que nous avons développé. Dans l’étude de cas, les conditions d’activation permettront au système d’asservir l’activation de la pile et l’électrolyseur en fonction du volume d’hydrogène stocké afin de ne pas créer de surpression dans le système de stockage par exemple. Ces conditions sont établies dans le bloc entouré par le cadre violet. Il convient de préciser que les blocs « Rate transition » servent à égaliser le temps d'échantillonnage de la simulation. 3.2) Limites du modèle - Réversibilité équation Comme on vient d’expliquer, on considérera lors de notre étude que le débit d’hydrogène produit par un électrolyseur suit le même schéma que la pile à combustible par réversibilité. Cela signifie que nous supposons qu'il n'y a pas d'irréversibilités, telles que les irréversibilités thermiques. Il aurait été intéressant d’avoir un modèle Matlab prenant en considération la dynamique d’un électrolyseur. - Pression sortie équation : En utilisant l’équation présentée précédemment pour l’électrolyseur nous sommes censés obtenir le débit d’hydrogène en NL/min, c’est-à-dire à 1 bar et 20ºC. Néanmoins, selon la bibliographie trouvée, la pression de sortie de l’électrolyseur est à 30 bars. Nous avons négligé cet aspect étant donné que l’influence de la pression sur la tension en bornes des cellules est assez faible. Ci-dessous on peut voir qu’une différence de 10 bars à un effet de 0,05 V. Figure 10 · Modèle générale Simulink II 20 Figure 11 · Influence de la pression sur la tension PAC - Rendement électronique de puissance : Pour l’onduleur et le redresseur le modèle utilise de rendements constants, cependant ils sont dépendants de la puissance électrique. - Tension entre cellules : En ce qui concerne à la tension entre cellules de la pile, elle est considérée constante bien qu’elle puisse dépendre du débit d’hydrogène utilisé. De même, on a pris la même valeur pour toutes les cellules, en sachant qu’en réalité la tension peut varier d'une cellule à l'autre. - Puissance des auxiliaires : Concernant le modèle de la pile, il semblerait que la puissance utilisée afin d’alimenter les auxiliaires soit prise en compte dans le rendement. Cependant, il est très difficile pour nous de considérer la puissance accordée aux auxiliaires pour l’électrolyseur. Ainsi, dans le cadre de notre étude, nous définirons celle-ci comme négligeable. - Observations modèle Full Cell : Variations régime transitoire pile : on a observé que quand la pile démarre, elle calcule des valeurs surestimées au début de la simulation. Cependant, il ne s’agit pas d’une question physique liée au transitoire car en changeant le pas de temps, le temps qu’elle prend pour arriver aux bonnes valeurs change. On conclut donc, que c’est plutôt une question de calcule du modèle de la pile. 21 4) Etude de cas 4.1) Contexte de l’étude de cas Dans cette partie, nous allons détailler plusieurs études de cas afin de déterminer différentes utilisations du Power to Gas to Power grâce à notre modèle sur une journée simulée. Dans le cadre de cette étude nous allons voir deux cas différents : - Cas n°1 : L’installation doit permettre de fournir 5% de la consommation d’une population de N1 individus chaque journée afin d’augmenter l’apport en énergie renouvelable dans la consommation des ménages. Cela aura pour effet de réduire la facture d’électricité provenant du réseau. - Cas n°2 : L’alimentation en autoconsommation d’une population inconnue de N2 individus, l’ensemble de l’installation devra fournir la totalité de l’électricité consommé par cette population. Le but de ces études sera de déterminer à quelles conditions le système peut fournir l’électricité demandée et pour combien de personnes environ en fonction des différentes hypothèses que nous allons émettre. On estimera lors de notre étude que l’électricité fournie au système représente un surplus de production issu de nombreux panneaux solaires. Ainsi, l’objectif du projet est d’utiliser ce surplus afin d’alimenter des usagers sur une période donnée. Hypothèses des études : Stockage : • L’hydrogène stocké doit tenir dans le volume d’un conteneur de 67m3 • Le volume d’hydrogène stocké doit toujours être supérieur à 10% du volume de stockage maximum afin de garder une réserve d’hydrogène en cas de pic de consommation • Le volume d’hydrogène stocké doit toujours être inférieur à 90% du volume de stockage maximum afin de garder une marge de sécurité pour ne pas entrer en surpression. Installation : • Le site sera alimenté par 700 panneaux solaires de surface S = 1,7 m² pour une surface totale de 1190 m². • Dans cette étude nous allons utiliser le modèle de pile à combustible de la licence Matlab. Ce sont des piles à membranes dites PEMFC de 50 kW et 625 Vdc. Nous aurons la possibilité d’en mettre plusieurs en parallèle afin d’augmenter la puissance de sortie du système. • Le système comprendra un redresseur en amont de l’électrolyseur avec un rendement de 98%. • L’onduleur en sortie de la pile à combustible aura un rendement de 98% également. • N’ayant pas de module d’électrolyseur intégré dans la licence Matlab disponible, nous avons considéré que cette étape aurait un rendement de 70% notamment grâce à nos recherches concernant les électrolyseurs à membrane. 22 • L’électrolyseur comportera 400 cellules en série avec une tension effective de 0,8V chacune, soit une tension globale de 320V. • Le système comprendra un compresseur permettant de stocker l’hydrogène sous 700 bars, son rendement sera calculé en fonction du débit d’hydrogène en sortie de l’électrolyseur grâce au modèle Matlab selon des données récupérée durant nos recherches. [18] Données de consommation : • Les données de consommations proviennent du site RTE avec un échantillonnage de 15mins sur une journée. Nous avons pris les statistiques correspondantes à la métropole Aix-Marseille pour un total de 1 889 666 habitants au mois d’octobre. Nous pourrons ainsi à l’aide d’un ratio évaluer la consommation d’un nombre défini d’individus. Figure 12 : Données de consommation de la métropole Aix-Marseille sur une journée d'octobre Il est nécessaire que les données de ces études ne correspondent qu’au mois d’octobre et ne représente pas les écarts possibles entre la consommation en été et en hiver en France. En effet, la consommation liée au chauffage des foyers en décembre par exemple diminuerait drastiquement les chiffres que nous allons présenter. Cependant, nous pourrions modifier les données de consommation afin de réaliser d’autres études. Dimensionnement des piles à combustible : Le but du dimensionnement des piles est d’adapter la demande en électricité au fonctionnement nominal de la pile afin d’avoir un rendement le plus proche du maximum possible (environ 60% ici). En effet, il faut que la charge demandée à la pile ne soit pas trop élevée pour s’adapter à son optimum productique. Pour cela nous avons fait de nombreux tests en fonction du pourcentage de la consommation pris en charge par le système (5% ou 100%) et du nombre d’habitant afin d’avoir le rendement le plus optimisé possible pour chaque cas. 23 Script : Figure 13 : Script décrivant la modification des valeurs de la résistance faisant office de charge pour le bloc Fuel Cell Figure 14 : Désignation des constantes du script Dans le script « p_conso_aix » désigne le tableur qui répertorie la consommation toutes les 15 minutes de la métropole Aix-Marseille. Pour que la pile à combustible fournie par Matlab fonctionne avec un rendement proche du maximal (60%), il faut que la charge appliquée soit proche de 10 Ω. Nous avons remarqué que lorsque la consommation est très importante, les valeurs de résistance calculées « R_charge » sont proches de 0 et la pile sature. Ainsi, il a fallu adapter le nombre d’habitants « n_hab_adapte » en fonction du pourcentage de la consommation « p_conso » que nous voulons fournir afin de conserver un rendement proche du maximum. Nous avons pu en déduire que : ▪ Pour le cas d’étude d’autoconsommation, il a été défini qu’une pile PEMFC de 50kW à fonctionnement nominal peut alimenter 50 personnes en électricité à 100% avec un rendement moyen d’environ 56%. Figure 15 : Rendement de la pile pour 100% de la consommation assumée de 50 personnes en fonction du temps 24 ▪ Pour le cas de fourniture de 5% de la consommation d’énergie, il a été défini qu’une pile de 50kW à fonctionnement nominal peut alimenter 1000 personnes en électricité avec un rendement moyen d’environ 57%. Figure 16 : Rendement de la pile pour 5% de la consommation assumée de 1000 personnes en fonction du temps Nous pourrons alors envisager la mise en parallèle de plusieurs piles au sein d’un stack afin d’optimiser la fourniture en électricité en fonction de notre stockage. Cas d’étude N°1 : Fourniture de 5% de la consommation en électricité d’une population de N1 individus. Nous avons déterminé que le système en place est capable de fournir la demande de 10 000 personnes sur la quasi-totalité de la journée (cela représente l’utilisation de 10 piles de 50kW chacune) : Figure 17 : Courbes des débits d'hydrogène produit par l'électrolyseur et consommé par la pile 25 Ces courbes représentent les débits en jeu lors de notre étude. En haut, nous pouvons observer le débit d’hydrogène fourni en fonction du temps par l’électrolyseur, il dépend fortement de l’ensoleillement. En bas nous avons le débit d’hydrogène permettant le bon fonctionnement de la pile, c’est donc ce qui va être consommé. On remarque que celui-ci est nul à plusieurs reprises, cela correspond au fait que le modèle programme la pile pour ne fonctionner que lorsque le stock d’hydrogène est suffisant pour garder un stock correspondant à 10% du volume du conteneur. Ainsi, on remarque que nous ne pouvons pas couvrir les besoins des consommateurs sur l’ensemble de la journée. Figure 18 : Volume d'hydrogène stocké en fonction du temps pour la 5% de la consommation de 10 000 personnes Ici, les traits bleus et rouge représentent respectivement 60,3m3 et 6,7m3 soit les limites de 10 et 90% dans lesquels le volume d’hydrogène doit être maintenu selon le cahier des charges. Le système permet de fournir de l’électricité pendant environ 17h ce qui est satisfaisant. On constate qu’au début de la simulation, l’hydrogène stocké est en dessous de la limite des 10% cela correspond au moment où l’électrolyseur commence à remplir la cuve. Lors de cette phase on empêche la pile de consommer de l’hydrogène afin de permettre à la cuve de se remplir suffisamment. Si la simulation était sur plusieurs jours d’affilé cette phase serait inexistante car le stock présent en fin de journée comblerait ce manque. On est donc dans une situation ou la cuve est vide initialement, cela pourrait convenir à un mode de fonctionnement ou le reste de l’hydrogène stocké est injecté dans le réseau de gaz de la ville. En effet on rappelle que cette réserve de 10% permet de subvenir à des besoins urgents d’électricité lors d’un pic de consommation par exemple, en fin de journée ils peuvent donc être utilisé afin d’optimiser la production énergétique. On remarque que pour 10 000 personnes, la cuve atteint son maximum pendant environ 5h. Lors de cette phase on coupe l’électrolyseur afin de ne pas produire d’hydrogène lorsque la cuve est pleine. Cependant, cela pose un problème car durant toute cette période, on n’optimise pas la production d’électricité due aux panneaux solaires. 32 Nous avons dimensionné la pile dans ce cas, et avons déterminé que le même modèle de 50kW peut alimenter 70 personnes en autoconsommation dans les conditions décrites précédemment. Nous avons pu obtenir des résultats encourageants : Hypothèses : - 770 personnes alimentées grâce à 11 piles à combustible 50kW. - 100% de la consommation couverte - Volume d’hydrogène stockage : 2 conteneurs de 67m3. Nous avons augmenté la capacité de stockage pour répondre au mieux à la problématique. - 700 panneaux solaires pour un totale de 1190m². Figure 28 : Débit d'hydrogène produit par le surplus solaire et débit théorique consommé par la pile pour subvenir aux besoins de 770 personnes Sur la figure ci-dessus, on constate premièrement que le débit d’hydrogène produit par l’installation solaire est fortement réduit par rapport aux cas précédents, en effet on consomme une bonne partie de l’apport énergétique directement au profit des utilisateurs sans passer par le système Power to Gas to Power. Dans un second temps, on peut observer le débit théorique d’hydrogène consommé par la pile si cette dernière produit l’électricité nécessaire pour couvrir la totalité des besoins des utilisateurs. On remarque que ces débits s’étalent sur les périodes de non-production ce qui semble cohérent. 33 Figure 29 : Evolution du volume d'hydrogène stocké en fonction du temps pour alimenter 770 personnes en autoconsommation Sur la figure ci-dessus, on peut observer l’évolution du stock d’hydrogène au cours de la journée, on pilote le système en début de journée pour utiliser le stock de 10% afin d’augmenter la durée d’alimentation du système comme vu dans le cas d’étude précèdent. Figure 30 : Débit d'hydrogène produit par le surplus solaire et débit réel consommé par la pile pour subvenir aux besoins de 770 personnes Sur la figure ci-dessous, on a tracé le débit réel d’hydrogène consommé par la pile, cela nous permet de définir la durée d’alimentation des utilisateurs. Au total avec cette méthode on peut alimenter 770 personnes pendant environ 18h (de 6h du matin à minuit). 34 Conclusion étude de cas n°2.1 : Le modèle permet de conclure qu’avec 700 panneaux solaires et les différents composants décrits précédemment, le système est capable de fournir 100% de la consommation en électricité d’une population de 770 personnes pendant environ 18h (de 6h00 à minuit), soit 3h de plus que le système précédent, ce qui est considérable. On remarque cependant qu’il y toujours une période (00h à 6h ici) ou les utilisateurs ne sont pas alimentés en électricité. En effet ici, on ne fait pas de stock en fin de journée et le réutiliser le lendemain matin. On pourrait envisager de stocker bien plus que les 10% prévus dans notre cas, cependant cela nécessiterait donc d’alimenter moins de personnes. Conclusion globale étude de cas : On remarque que pour chaque cas d’étude, il y a forcément une partie de la journée ou le système ne peut pas alimenter les utilisateurs en électricité. Cela peut poser des problèmes, notamment en autoconsommation pour l’alimentation d’équipements comme les frigidaires par exemple. Dans le cas d’un apport en électricité provenant d’un surplus, afin de résoudre ce problème, il faudrait coupler aux panneaux solaires d’autres moyens de productions comme les éoliennes ou de la récupération de chaleur par exemple afin de couvrir une plus grosse période de la journée. On pourrait également augmenter le volume d’hydrogène stockable car nous pourrions ainsi augmenter la durée de fourniture en électricité voir même en stocker pour les jours suivant lorsque la consommation est faible. Si l’on considère une production d’électricité locale, grâce à l’algorithme imaginé dans la partie 2.2 nous avons pu augmenter le rendement de l’installation et donc couvrir les besoins de l’utilisateur sur des périodes ou la production solaire est nulle (la nuit). Cependant, en début de journée, les utilisateurs ne sont pas alimentés en électricité. Ainsi, il faudrait envisager de diminuer le nombre de personnes alimentées afin de stocker de l’hydrogène en fin de journée pour l’utiliser le lendemain matin. Cependant, cela augmenterait le coût d’installation pour les utilisateurs. 4.2) Estimation coût de l’installation pour l’étude de cas 2.2 Cette partie du projet est consacrée à réaliser l’estimation approximative des principaux éléments de l’installation pour l’étude d’autoconsommation 2.2. Données : - Puissance des panneaux produite moyenne pendant une journée : 760.62 W - Nombre de panneaux : 700 - D’où puissance installée production : 532,43 kW - Puissance PAC 50 KW - Nombre de piles : 11 1. PANNEAUX SOLAIRES Source : Rapport février 2019 - Coûts et rentabilités du grand photovoltaïque en métropole continentale (Commission Régulation de la Energie) 35 Voici un calcul rapide, en suivant le rapport mentionné précédemment, des couts d’investissement et d’exploitation pour l’installation des panneaux solaires que nous utilisons comme source d’énergie. CAPEX Figure 31 · Cout CAPEX en fonction de la taille de l’installation solaire Les graphiques ci-dessous présentent la ventilation moyenne des coûts d’investissement en fonction de la taille et selon la typologie de l’installation. Les CAPEX regroupent schématiquement : - les coûts liés à la centrale elle-même, à savoir l’achat et la pose du matériel électrique (modules photovoltaïques, onduleurs, boitiers, etc…) et des éléments de structure (souvent en acier ou aluminium), ces deux blocs représentant près de 80 % de l’investissement en moyenne ; - les coûts de raccordement de l’installation au réseau public de distribution d’électricité, pour 10 % de l’investissement en moyenne ; - les frais annexes d’ingénierie, de développement, financiers et légaux pour la part restante. En supposant des panneaux installés sur le toit : CAPEX 670 861 € OPEX Figure 32 · Cout OPEX en fonction de la taille de l’installation solaire Sur l’ensemble des installations étudiées, les coûts d’exploitation (OPEX) représentent en moyenne 71 % des dépenses annuelles de fonctionnement. Le reste est constitué des différentes taxes et versements assimilés (ITVA) comme l’IFER ou encore la taxe foncière 36 D’où OPEX 9211 € 2. ELECTRONIQUE DE PUISSANCE a. Redresseur : possible fournisseur Ancore Industrie ➔ Données de prix non trouvées b. Onduleur : cout déjà pris en compte avec les panneaux 3. ELECTROLYSEUR a. Cout estimé Une étude de l’APHYPAC (Production d'hydrogene par electrolyse de l'eau -FICHE 3.2.1 ) donne pour 2020 un coût de l’ordre de 2500 € à 800 € /kW pour un électrolyseur couplé à un réseau d’électricité renouvelable. ➔ Puissance électrolyseur : 40kW 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 𝐴𝑖𝑥 ∙ 𝑛° ℎ𝑎𝑏 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑠é 𝑛° ℎ𝑎𝑏 𝐴𝑖𝑥 =1397,9 𝑀𝑊 ∗ 0 1881666 =37,1 𝑘𝑊 ➔ En prenant le cas le plus défavorable et donc un cout de 2500 € /kW, on aura 100 000 € de cout d’électrolyseur b. Marché des électrolyseurs PEM Technologie « basse pression » (inférieure à 100 bars) • Proton OnSite, (USA), racheté par Nel ASA en février 2017, produit toute une famille d'électrolyseurs • Hydrogenics, (Canada) • AREVA Smart Energies • GINER, InC (USA) • ITM Power (Grande Bretagne) • Siemens et quelques partenaires (RheinMain University, Linde, et the Mainz (Germany) • H-TEC Systems(Allemagne) 4. COMPRESSEUR Les applications 700 bars requièrent une compression jusqu’à 900 bars. D’après nos recherches on estime un cout d’autour 15 000 €. 5. PILE A COMBUSTIBLE Source : La micro-cogénération à pile à combustible ENGIE LAB CRIGEN (Stéphane Hody) 37 Les piles à combustible ont atteint une maturité technologique (performances et durée de vie notamment) Les coûts restent cependant élevés (2 à 10k€/ kW) mais la baisse des coûts a démarré sur certains marchés par l’augmentation des volumes. On va supposer un prix de 5 000 € pour chaque pile, ce que nous donne un cout total de 55 000 € avec 11 piles 6. BATTERIE L’autoconsommation totale, consiste à consommer l’intégralité de sa production électrique. En général, il faut se raccorder au réseau électrique afin que celui-ci prenne le relais lorsque on ne produit pas suffisamment par rapport à notre consommation. Une batterie de stockage est nécessaire si nous souhaitons être autosuffisant à 100 %, et celleci est très onéreuse. Les prix sont très variés mais on se trouve entre les 40-100 €/kWh pour les batteries classiques de Plomb-Acide. Source : données récupérées du support de cours Stockage électrochimique CEA Cependant dans notre cas on considère être connectés au réseau en cas où notre production ne suffit pas, donc n’utilise pas aucune batterie. 7. CONTENEUR On a décidé de prendre comme exemple les conteneurs secs - Dry containers (DC) qui forment le type de conteneur le plus courant au monde : 90 % des marchandises expédiées par voie maritime. Dimensions : Figure 33 · Caractéristiques conteneur Source : Resotainer D’après la source trouvée on estime un prix de 5500 € pour le conteneur. Comme le cas d’étude 2.2 utilise 2 conteneurs, cela coûterait 11 000€. 38 8. Total En récupérant les données précédentes : Installation photovoltaïque 670 861 + 9211 Electrolyseur 100 000 Compresseur 15 000 Pile à combustible 55 000 Conteneur 11 000 Total 861 072 € Juste le cout des éléments principales est de 861 072 €, on remarque que pour cette première estimation on a négligé la main de ouvre dont on aura besoin pour la mise en place du projet. Sur les 770 personnes concernant au cas d’étude ça entrainera un coût de 1100 € environ. 5) Conclusion Figure 34· Dessin permettant de schématiser l'étude de cas 39 Durant cette étude, nous avons pu découvrir les différents aspects du Power to Gas to Power. Nous avons tout d’abord réalisé un état de l’art afin de réunir le maximum d’informations possible avant de nous lancer dans la modélisation de notre projet. Ainsi, au fil des séances, grâce au logiciel Matlab, nous avons pu, petit à petit, complexifier les hypothèses en jeu afin d’obtenir les résultats les plus proches de la réalité possible. Enfin, à travers différentes études de cas, nous avons pu tester notre modèle et l’améliorer jusqu’à obtenir une simulation satisfaisante. Les résultats de ces études de cas montrent que cette technologie peut être viable, notamment en autoconsommation. Cependant, l’alimentation avec une seule source d’énergie renouvelable comme le solaire peut impliquer des moments sans alimentation en électricité pour les usagers. Il faudrait donc envisager un mix électrique plus complexe afin de d’assurer une autoconsommation viable pour les utilisateurs. Grâce à une étude de coût et aux hypothèses que nous avons fait, nous avons pu conclure qu’une installation de ce type pourrait être profitable aux utilisateurs car pour un coût raisonnable (environ 1100€ par personnes), ces derniers pourraient profiter d’une alimentation en électricité viable avec une durée de vie intéressante. Enfin, ce travail nous a permis de nous familiariser avec le domaine de l'hydrogène et des différents enjeux qui gravitent autour de ce dernier. Notre modèle permet de donner une idée de la faisabilité d'un tel projet. Toutefois, il est fondé sur de nombreuses hypothèses simplificatrices et l'espoir que de nombreuses améliorations seront apportées dans un avenir proche concernant le Power to Gas to Power. Cela devra passer entre autres par la réduction des coûts et améliorer la technologie existante. Nous tenons à remercier les encadrants de ce projet, Messieurs Garambois et Favarel pour le temps passé et la pédagogie dont ils ont su faire preuve afin que nous puissions mener à bien cette étude. HERNAEZ MARTINEZ Cristina RAVE Alex 40 6) Annexe : Protocole de mise en œuvre de la simulation. PROTOCOLE MODÈLE · STOCKAGE D’ENERGIE PAR LE VECTEUR D’HYDROGÈNE Premièrement il faut noter que pour l’exploitation du modèle on aura besoin de 4 fichiers : 1. Le tableau de données où on garde les matrices avec l’information des profils de consommation de production : Données.mat 2. Le fichier Matlab qui contient tous les paramètres à modifier ainsi que le lancement de la simulation : donnees_modelisation_final.m 3. Un premier modèle Simulink avec la pile à combustible : modeleavecfullcell1_independante La charge de la pile se modifie en fonction de la puissance demandé, ensuite, la simulation de la pile s’effectue pour couvrir ces besoins en donnant le débit d’hydrogène nécessaire. 4. Un autre modèle Simulink global qui contient le processus d’électrolyse et de stockage : modele_general // modelegeneral_Etude_de_cas Il est alimenté par l'information du débit d'hydrogène requis obtenue dans la simulation précédente. De même, il récupère les données de production d’électricité fournis, et en prenant en compte les rendements, il réalise l’électrolyse. Les volumes d’hydrogène produit et requis sont associés afin d’obtenir le volume d’hydrogène stocké pendant toute la simulation. 1. Tableau de données : Données.mat Il s’agit d’un tableau avec deux variables comportant d’une part, l’information concernant la source d’électricité qui fournit la courant nécessaire pour réaliser l’électrolyse, dans le cas que l’on étudie cela se traduit par une source d’énergie renouvelable comme un panneau photovoltaïque. C’est-à-dire « p_production », une matrice dont la première colonne correspond au temps dans notre cas, nous avons obtenu des valeurs échantillonnées chaque 15 minutes durant une journée. La deuxième colonne correspond à la puissance produite disponible en Watts. D’autre part, la variable « p_conso_aix » correspond à la puissance de consommation que l’on souhaite satisfaire. De même, la première colonne indique le temps, et la deuxième la puissance, cette fois en MégaWatts car le modèle qui travaille avec les données de puissance est construit pour les insérer en mégawatts et les convertir ensuite en watts. Il convient de préciser que l’on pourrait utiliser autre pas de temps car le modèle Simulink inclue un bloc « Rate transition » qui permet de ramener le temps d’échantillonnage à l’unité (seconde, minute, …). Figure 35. Screen tableau de données données.mat 41 2. Fichier Matlab : donnees_modelisation_final.m Il y a plusieurs parties dans le fichier. Nous avons d'abord tout ce qui concerne la déclaration des variables et des données de simulation. Cette partie est décomposée en sous-cas : → Données générales : il s’agit des données propres de la simulation qu’on veut réaliser. D'une manière générale, chaque information est détaillée dans le code, mais il convient de garder à l'esprit que : - Sample time s_time est utilisé dans différents étapes et permet aussi d’égaler le temps d’échantillonnage des données de puissance en entrée. - Pas de temps p_time ne doit pas être trop petit car la simulation devient très longue. → Données source d’électricité : sert principalement à déterminer le nombre de panneaux solaires que nous utilisons puisque dans notre cas nous avons utilisé l'énergie photovoltaïque comme source de courant. L’heure d’activation de la pile est utilisée dans un des deux modèles généraux retenus « MODÈLE GÉNERAL DE BASE » dans le rapport. → Données consommation : cette partie correspond à l’adaptation des données de consommation trouvées à notre étude de cas. Nous avons récupéré des informations provenant de RTE pour la région de Aix Marseille, c’est pourquoi nous devons appliquer un facteur d’échelle approprié au nombre d’habitants considéré. On applique un pourcentage de la consommation que l’on veut fournir. Il est nécessaire d'insérer le pourcentage en décimal. En fonction de l’étude de cas ces valeurs peuvent changer. → Données Processus : c’est ici qu’il faut établir les constantes du processus de différents aspects : o Rendements : de l’électronique de puissance et de l’électrolyseur. o Les données relatives à l'équation de l'électrolyseur Figure 36. partie fichier Matlab avec les données générales Figure 37. Partie fichier Matlab avec les données source Figure 38. Partie fichier Matlab avec les données consommation