ESTIMATION DE LA PRODUCTION D HYDROGENE PAR ENERGIE EOLIENNE DANS LE SUD ALGERIEN

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1 ESTIMATION DE LA PRODUCTION D HYDROGENE PAR ENERGIE EOLIENNE DANS LE SUD ALGERIEN Lilia AICHE-HAMANE, Mustapha HAMANE et Maiouf BELHAMEL Centre de Développement des Energies Renouvelables (CDER) B.P. 6, Route de l Observatoire, Bouzaréah, Algérie. l.aichehamane@cder.dz Résumé : Une estimation de la production d hydrogène à partir de l énergie éolienne dans le sud de l Algérie a été entreprise. Elle est basée sur l estimation du taux d hydrogène produit par un électrolyseur de 5 W alimenté directement à partir de l électricité fournie par un aérogénérateur de W. Les données des vitesses moyennes du vent de sept sites du sud algérien, à savoir,, Hassi-Messaoud,,,, et, ont été utilisées. Les résultats obtenus ont montrés une nette variation du taux d hydrogène électrolytique produit en fonction de la vitesse moyenne du vent sur les différents sites choisis. En effet, pour une vitesse annuelle moyenne de 4,3 m/s on a obtenu 1950 Nm 3 contre 600 Nm 3 pour 5 m/s et 3380 Nm 3 pour 6 m/s. Mots clés : Hydrogène, Energie éolienne, Vitesse du vent, Puissance éolienne, Electrolyseur 1. INTRODUCTION Bien qu'on le trouve en abondance dans l'univers, l hydrogène n'existe pas à l'état naturel. On le trouve plutôt lié à d'autres atomes, sous forme d'eau ou de méthane. Il est essentiellement produit par reformage ou gazéification d'hydrocarbures, par électrolyse de l'eau, par biomasse, etc. Néanmoins, l'impact négatif de l'utilisation des énergies fossiles, qui contribuent à amplifier l'effet de serre, et participent largement à la pollution de nos agglomérations, devrait se traduire par des contraintes techniques et financières supplémentaires (captage CO ou écotaxe), capables de modifier les seuils de compétitivité économique des solutions alternatives en particulier les énergies renouvelables [1]. En effet, l hydrogène électrolytique [] offre une alternative prometteuse pour le stocage des énergies renouvelables [3,4,5], en particulier, l énergie éolienne [6]. Réciproquement, l utilisation de systèmes éoliens pour la production d hydrogène va permettre le développement d une nouvelle aire énergétique propre et renouvelable [6]. Des systèmes hybrides de production éolien-hydrogène sont de plus en plus développés et installés à travers le monde [4-9]. Que se soit pour des productions électriques connectées au réseau [8] ou pour des applications autonomes en région isolé [,11] ou encore pour la production de l hydrogène carburant [6]. Par ailleurs, des études sur l estimation des ressources éoliennes de l Algérie [-1] ont permis l évaluation du potentiel éolien disponible et ont fait ressortir les régions ventées de l Algérie. La figure 1 [1] montre clairement que la région du Sud figure parmi les régions candidates à l implantation de systèmes éoliens. De plus, l existence de la nappe albienne dans le sud algérien [13], garantie une disponibilité de l eau, nécessaire à la production d hydrogène par électrolyse []. Ainsi, toutes les conditions nécessaires à l implantation de systèmes de production d hydrogène à partir de l énergie éolienne sont réunies. Pour étudier la faisabilité de ces systèmes, le choix s est porté sur sept sites du sud algérien, à savoir,, Hassi-Messaoud,,,, et. Albi, France du 8 au 30 Août 007 1

2 Le système de production éolien-hydrogène choisie a été testé à l institut de recherche sur l hydrogène (IRH) [4]. Les caractéristiques de ce système vont permettre de faire une estimation du taux d hydrogène produit en fonction des données de vent des sites sélectionnés Alger Annaba Meghress oran Tiaret Bisra El Kheiter InSalah Ghardaia H.Messaoud Assrem Djanet m/s Figure 1 : Carte de la vitesse annuelle moyenne de l Algérie à m du sol [1] Figure : Diagramme du système de production énergie renouvelable-hydrogène de l IRH [4]. DESCRIPTION DU SYSTEME ENERGIE RENOUVELABLE- HYDROGENE Un exemple de système à énergie renouvelable autonome (ER) basé sur la production d hydrogène, a été développé et testé avec succès, à l'institut de Recherche sur l Hydrogène (IRH)[4]. Celui-ci est composé d une éolienne WT, de panneaux solaires PV, de batteries comme mode de stocage énergétique tampon, de charge CC et CA, d un électrolyseur, de réservoirs d hydrogène et d oxygène pour le stocage, d une pile à combustible de type PEMFC, d un module de contrôle, d appareils d interface de puissance et de plusieurs capteurs. Ce système énergétique présenté en figure, a été conçu pour alimenter directement le consommateur à partir des sources d énergie renouvelables. L énergie renouvelable, produite en excès, sert à fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. L hydrogène électrolytique est comprimé puis stocé dans un réservoir pour une utilisation ultérieur. Il permettra de fournir de l électricité via une pile à combustible en complément à l énergie renouvelable lorsque celle-ci n est pas suffisante Puissance (W) Vitesse du vent (m/s) Figure 3 : Courbe de puissance de l éolienne Figure 4 : Courbe de polarisation de Bergey BWC Exe [18] l électrolyseur [4] Dans la présente étude nous considérons uniquement le système composé de l éolienne et de l électrolyseur [14], en prenant le cas où toute l énergie produite par l éolienne est conduite vers l électrolyseur pour produire de l hydrogène. L éolienne de type Bergey BWC Exe est caractérisée par une vitesse de démarrage de 3,4 m/s et une vitesse nominale de 13.0 m/s pour laquelle l éolienne atteint sa puissance nominale de Albi, France du 8 au 30 Août 007

3 W. La hauteur d emplacement des pales de l éolienne est de 30.0 m. Sa courbe de puissance est représenté en figure 3. L électrolyseur de type Stuart Energy Systems de 5 W, permet un taux de production de1 Nm 3 h -1 d hydrogène comprimé à 7 bars pour une puissance d entrée de 5 W. Sa courbe de polarisation est donnée en figure4. 3. ESTIMATION DE LA PRODUCTION D HYDROGENE La puissance moyenne produite par l éolienne sélectionnée a été calculée à partir de la relation suivante [15] : n P P( ) f (1) i 1 V i i P(V i ) représente la puissance fournie par l éolienne à la vitesse V i de l intervalle [V i -0.5, V i +0.5]. Ces valeurs sont calculées à partir de la courbe de puissance de l aérogénérateur Bergey BWC Exe représentée en figure3. f i représente la fréquence d occurrence des vitesses appartenant au i eme intervalle de vitesse, n est le nombre d intervalles de vitesses. f représente la loi de distribution de Weibull à deux paramètres. Elle est donnée par l équation suivante []: 1 V V f V ) exp c c c ( () représente le facteur de forme (sans dimension) et c le facteur d échelle, (m/s). La distribution des vitesses de weibull des sites considérés [16], est représentée en figure Hassi Messaoud 0.30 Fréquence d'occurrence Fréquence d'occurrence Vitesse (m/s) Vitesse (m/s) Figure 5 : Distribution de Weibull des sites considérés à m du sol La vitesse moyenne du vent et les paramètres de la distribution de Weibull ont été extrapolés à la hauteur de 30 m au moyen du modèle de puissance développé par Justus et Mihail [17]: α V Z (3) V1 α a + b ln V 0 (4) 0.37 et (5) a b V 1 et V représentent la vitesse moyenne à la hauteur Z 1 et Z, Z 0 représente la rugosité du sol. α représente le coefficient de cisaillement, il dépend de la vitesse de la hauteur de mesure V 0. α p c Z Z c1 1 (6) α p a + b ln c 1 (7) (8) Z 1 c 1, 1 et c, représentent respectivement les paramètres de weibull à la hauteur Z 1 et Z. Albi, France du 8 au 30 Août 007 3

4 Les caractéristiques de l électrolyseur sélectionné permettent de calculer le taux de production d hydrogène à partir des résultats du calcul de la puissance éolienne fournie. En considérant que pour une puissance d entrée de 5 W, l électrolyseur fourni 1 Nm 3 h -1 d hydrogène comprimé à 7 bars avec une efficacité du système de 65 % [4]. V Site (m/s) (m/s) Hassi Messaoud Tableau 1 : Vitesse et facteur de forme à m du sol 4. RESULTATS ET DISCUSSIONS Le modèle RETScreen pour projets de centrale éolienne [18] a été utilisé pour calculer la puissance éolienne annuelle fournie à la hauteur de 30 m. Pour cela, on a introduit les valeurs de la vitesse annuelle moyenne, des paramètres de weibull et du coefficient de cisaillement calculé à partir des équations (4) et (5) pour les sept sites sélectionnés. La courbe de puissance de l aérogénérateur représentée en figure 3 a été considérée Taux d'hydrogène produit (Nm3) H.Messaoud Puissance éolienne fournie (Wh) 0 0 Figure 6 : Taux d hydrogène produit et puissance éolienne fournie sur chaque site La puissance éolienne annuelle moyenne estimée ainsi que le taux annuelle d hydrogène produit sont représentés en figure 6. Il apparaît nettement que la production annuelle d hydrogène augmente lorsque la vitesse augmente. est le site le plus venté, comme le montre le tableau 1, avec une vitesse de 5.9 m/s, on obtient une production d hydrogène maximale. Il est suivi par le site de avec une production annuelle d hydrogène de 600 Nm 3 puis et avec 1950 Nm 3. Les sites de, Hassi Messaoud et sont les moins productifs du fait des vitesses les plus faibles autour de 3.7m/s. Site CONCLUSION Cette étude présente une méthodologie pour l estimation de la production d hydrogène en fonction des données de vitesse du vent et des caractéristiques de l aérogénérateur et de l électrolyseur choisis. Les résultats obtenus ont permis de quantifier l ordre de grandeur du taux d hydrogène produit en fonction de la puissance des systèmes de production et des caractéristiques des vitesses du vent des sites choisies. Sachant que le système a été conçu pour une hauteur de 30 m, la production énergétique peut être optimisé en choisissant des hauteurs plus grandes. Albi, France du 8 au 30 Août 007 4

5 Cette méthodologie permet de faire des estimations à d autres hauteurs d emplacement des pales de l aérogénérateur. Inversement, En fonction des besoins en hydrogène en tant que vecteur énergétique, il sera possible d estimer la puissance des systèmes de production requis sur les sites sélectionnés. Nomenclature Symbole Nom, unité V vitesse du vent, m/s facteur de forme c facteur d échelle, m/s Z hauteur, m/s P Z 0 puissance éolienne, W rugosité du sol, m Symboles grecs α coefficient de cisaillement αp coefficient de puissance References [1] W. Short et al., Modeling the Maret Potential of Hydrogen from Wind and Competing Sources, NREL Report No.CP-60/38138, 005. [] B.Kroposi et al, Electrolysis: Information and Opportunities for Electric Power Utilities, NREL Report No.TP-81/40605, 006. [3] E.I. Zoulias et N. Lymberopoulos, Techno-economic analysis of the integration of hydrogen energy technologies in renewable energy-based stand-alone power systems, Renewable Energy volume 3, pp , 007. [4] K. Agbossou et al., Renewable energy systems based on hydrogen for remote application, Elsevier Journal of Power Sources, volume96, pp ,001. [5] JI. Levene et al, An Analysis of Hydrogen Production from Renewable Electricity Sources, NREL Report No.CP USA, 005. [6] JI.Levene et al, Wind Energy and Production of Hydrogen and Electricity-Opportunities for Renewable Hydrogen, NREL Report No.CP , USA, 006. [7] E. Kasseris et al., Optimization of a wind-power fuel-cell hybrid system in an autonomous electrical networ environment, Renewable Energy volume 3, pp 57 79, 007. [8] C. Parrado et al., A 5 W electrolyser/fuel cell system with hydrogen accumulation combined with a wind generator coupled to the electric grid, CD proceeding WHEC16, Lyon, France, 006. [9] M.J. Khan et M.T. Iqbal, Dynamic modeling and simulation of a small wind fuel cell hybrid energy system, Renewable Energy, volume 30, pp41 439, 005, [] Aîche-Hamane, L, Contribution à l élaboration de la carte du gisement énergétique éolien de l Algérie, Mémoire de magister, institut de mécanique, université Saad Dahleb de Blida, 003. [11] L. Aîche-Hamane et A. Khellaf,, Cartographie des ressources éoliennes de l Algérie, Bulletin des Sciences géographique, No.11, pp 3-8, 003 [1] L. Aîche-Hamane et Khellaf, A., Wind energy resources in Algeria, Proceeding WREC 000, pp35-355, Brighton, UK, 000. [13] S. Ouali, Etude géothermique du sud de l Algérie, mémoire de magister, université M hamed Bouguerra, Boumerdes, Algérie, 006. [14] S. élouwani et K. Agbossou, Nonlinear model identification of wind turbine with a neural networ, IEEE Transaction on energy conversion, Volume19, N 3 pp , 004. [15] L. Aîche-Hamane, A. Khellaf et N. Ait Messaoudene, Estimation de la puissance annuelle moyenne de sortie d une éolienne, CD proceeding SIPE 5,, 000. [16] R. Hammouche, Atlas du Vent de l Algérie, O N M Alger, [17] C. G. Justus, et W.R. Mihail, Height variation of wind speed and wind distributions statistics, Geophysical Research Letters, vol.3, No.5, pp.61-64,1976. [18] RETScreen- Analyse de projets d énergies propres. Disponible sur le site : Albi, France du 8 au 30 Août 007 5