Electrolyse basse-température en fonctionnement intermittent: modélisation, caractérisation des impacts et aide au pilotage

Intermittent operation of low-temperature electrolysis: modeling, performance characterization and control strategies.

• Auteur / Autrice : Emma Nguyen
• Direction : Marie-Cécile Pera, Robin Roche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 17/05/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Énergie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)

Mots clés

Mots clés libres

Électrolyse basse-température

Intermittence

Performances

Modélisation

Low-temperature electrolysis

Intermittency

Performances

Modeling

Résumé

L'atteinte des objectifs de réduction des émissions de CO2 implique une contribution significative de tous les secteurs d'activités. Pour un certain nombre d'entre eux pour lesquels les émissions sont « hard to abate », le vecteur énergétique hydrogène est une solution très pertinente, notamment pour les applications pour lesquelles l'électrification directe n'est pas possible ou présente certaines limites : mobilité lourde, chaleur haute-température, industrie... Il est par ailleurs essentiel de décarboner les usages actuels de l'hydrogène à savoir la production d'ammoniac, les raffineries... Pour répondre à cette demande croissante en hydrogène bas carbone, et bien qu'elle ne représente à l'heure actuelle que quelques pourcentages de la production totale d'hydrogène, l'électrolyse est la technologie la plus prometteuse. Par ailleurs, elle permet de répondre en partie à un enjeu majeur de la transition énergétique : l'intégration massive de sources d'énergie intermittente sur les réseaux électriques. Cette problématique est cruciale pour la stabilité des réseaux électriques. Les technologies d'électrolyse, en particulier basse-température, constituent des sources de flexibilité permettant ainsi le stockage de l'énergie lors d'épisodes de surproduction et pouvant réduire leur charge en cas de période de tension sur l'approvisionnement électrique. De la même manière, les technologies d'électrolyse basse-température sont en mesure de faire du suivi de charge de production de parcs renouvelables, assurant de fait la production d'un hydrogène vert permettant de décarboner les secteurs mentionnés précédemment. Bien que cette capacité à fonctionner de manière dynamique et intermittente soit réelle, la mise en œuvre opérationnelle implique des impacts sur les performances du système. Les impacts de l'intermittence concernent également la qualité du gaz produit qui doit satisfaire un certain nombre de spécifications en fonction de son utilisation, les taux de dégradation des performances des systèmes et leur durée de vie. L'ensemble de ces impacts ont une influence significative sur l'économicité des projets de production d'hydrogène bas carbone par électrolyse et constitue ainsi un enjeu industriel majeur pour le déploiement de la filière. La thèse s'intéresse ainsi à la caractérisation précise de ces impacts ainsi que le développement d'outils/stratégies permettant d'optimiser la conduite, l'opération et la maintenance de systèmes d'électrolyse pour la production d'un hydrogène bas carbone et compétitif. Les objectifs de la thèse sont non seulement de caractériser les impacts réels de profils d'alimentation intermittente sur le comportement de systèmes d'électrolyse, mais également de développer des outils et méthodologies à même de constituer une aide précieuse pour leur pilotage.

Achieving CO2 emission reduction targets requires a significant contribution from all business sectors. For a number of them, hydrogen provides a very relevant solution, especially for applications for which direct electrification is not possible or has some limitations: mobility, high-temperature heat, industry, etc. It is also essential to decarbonize the current hydrogen uses, such as ammonia production and refineries. To meet this growing demand for low-carbon hydrogen, and even though it represents to date only a few percent of total hydrogen production, electrolysis constitutes the most promising technology. In addition, it allows to respond in part to a major challenge of the energy transition: the massive integration of intermittent energy sources into electrical grids. This issue is crucial for the grid stability. Low-temperature electrolysis therefore provide flexible solutions, allowing energy storage during periods of overproduction and reducing their load during periods of tension in the electricity supply. Moreover, low-temperature electrolysis are able to produce a green hydrogen when supplying with renewable energies. Although this ability to operate dynamically and intermittently is real, the operational implementation implies a number of impacts on the system performances. These latter also concern the quality of the gas produced, which must meet a number of specifications depending on its use, the rates of degradation of the system performance and their lifetime. All of these impacts present a significant part to play in the cost-effectiveness of projects for the production of low-carbon hydrogen by electrolysis and thus constitute a main industrial issue for the deployment of this sector. This thesis focuses on the characterization of these impacts and the development of tools/strategies aimed at optimizing the control, operation and maintenance of electrolysis systems for the production of a low-carbon and competitive hydrogen. Thus, the objectives of this thesis are not only to characterize the real impacts of intermittent electrical load on the behavior of electrolysis systems, but also to develop methodologies likely to constitute a valuable tool for their management.