Modélisation multiphysique des flux énergétiques d’un couplage photovoltaïque-électrolyseur PEM-pile à combustible PEM en vue d’une application stationnaire

Energy flows modeling of a PEM electrolyser-photovoltaic generator-PEM fuel cell coupling dedicated to stationary applications

• Auteur / Autrice : Kréhi Serge Agbli
• Direction : Daniel Hissel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/03/2012
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Université de Cocody (Abidjan, Côte d'Ivoire ; 1995-2012)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Rachid Outbib
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Hissel, Rachid Outbib, Kodjo Agbossou, André Didierjean, Issa Doumbia, Marie-Cécile Péra, Christophe Turpin, Julien Pouget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kodjo Agbossou, Bruno François

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries

Mots clés libres

Système photovoltaïque

Electrolyseur PEM

Stockage d’hydrogène

Pile à combustible PEM

Système énergétique multi-sources

Gestion d’énergie

Représentation énergétique macroscopique, structure maximale de commande

Batteries, supercondensateurs

Photovoltaic (power) system(s)

PEM electrolyser

Hydrogene storage

PEM fuel cell

Multi-source energetic system

Power management

Energetic macroscopic representation

Ultracapacitors

Batteries

Résumé

A l’aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d’énergie d’une application stationnaire isolée à base d’un système PEMFC couplé à l’énergie solaire photovoltaïque comme source principale d’énergie sont développées. Afin d’assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d’énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d’inversion.Le phénomène d’effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d’énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d’ensoleillement d’une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l’état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs.

A stand alone multi-source system based on the coupling of photovoltaic energy and both a PEM electrolyser and a PEMFC for stationary application is studied. The system gathers photovoltaic array as main energy source, ultracapacitors and batteries packs in order to smooth respectively fast and medium dynamic by supplying the load or by absorbing photovoltaic source overproduction. Because of the necessity of fuel availability, especially for islanding application like this one, a PEM electrolyser is integrated to the system for in situ hydrogen production.The main purpose being modeling and management of the power flows in order to meet the energy requirement without power cut, a graphical modeling tool namely Energetic Macroscopic Representation (EMR) is used because of its analysis and control strengths. Thanks to the modular feature of the EMR, the different models of each energetic entity of the system are performed before their assembling.By using scale effect, the energetic system sizing is performed according to a household power profile. Then, by the help of the multi-level representation, the maximal control structure (MCS) is deduced from the system EMR model. The electrical reference values of the MCS are generated by applying the power balancing method involving the own dynamic of each source into the energy management strategy. Different behavior modes are taken into account. By considering an irradiance profile for one day, the system is simulated highlighting its suitable behaviour. Moreover, the relevance of the introduced coupling between fuzzy logic controller and the power balancing method is pointed out.