Contribution à l Etude d Electro-générateurs à Pile à Combustible

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1 N D ORDRE : UNIVERSITE PARIS-SUD XI Faculté des Sciences d Orsay THÈSE DE DOCTORAT SPECIALITE : PHYSIQUE Ecole Doctorale «Sciences et Technologies de l Information des Télécommunications et des Systèmes» Présentée par : Toufik AZIB Sujet : Contribution à l Etude d Electro-générateurs à Pile à Combustible Conceptions d Architectures et de Leurs Commandes Soutenue le 14 décembre 21 devant les membres du jury : M. Bernard DAVAT, Professeur des Universités, ENSEM Nancy Président du jury Mme Françoise BARBIER, Directrice R&D, Air Liquide Examinateur M. Alain BOUAYROL, Professeur des Universités, USTL Lille Rapporteur Mme Marie-Cécile PERA, Professeur des Universités, UFC Belfort Rapporteur M. J. F. CHARPENTIER, Maitre de Conférences HDR, IRENav Brest Invité M. Claude MARCHAND, Professeur des Universités, UPS11 Orsay Directeur de thèse M. Olivier BETHOUX, Maitre de Conférences, IUT de Cachan Co-encadrant

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3 REMERCIEMENTS Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP), au sein de l équipe Conception Commande et Diagnostic (COCODI), département Modélisation et Contrôle des Systèmes Electromagnétiques (MOCOSEM). Je tiens, tout d abord à remercier Monsieur Claude MARCHAND, Professeur à l Université Paris Sud 11 et directeur de thèse pour les conditions de travail particulièrement favorables pour mener à bien ces travaux et auxquels il a apporté toute sa rigueur et son œil critique. Je lui exprime toute ma gratitude J adresse également mes remerciements à Monsieur Olivier BETHOUX, Maître de Conférences à l IUT de Cachan et co-directeur de thèse, pour m avoir encadré et dirigé pendant mes trois années de thèse, ainsi que pour son soutien inconditionnel pendant les mauvais moments. Sa passion de la recherche, son dynamisme, son esprit synthétique et son professionnalisme qu il a manifestés à l égard de mes travaux m ont été d une aide précieuse lors de ces trois ans. Je lui exprime toute ma gratitude pour la confiance et l autonomie qu il a pu m accorder. Dans l avenir, j essaierai timidement d imiter ses impressionnantes qualités scientifiques. Meilleurs salutations aux membres du jury de thèse pour l honneur qu ils m ont fait de participer à l évaluation de mon travail : M. Bernard DAVAT, Professeur des Universités, ENSEM Nancy. Mme Françoise BARBIER, Directrice Programmes R&D, H2 Energie, Air Liquide. M. Alain BOUAYROL, Professeur des Universités, USTL Lille. Mme Marie-Cécile PERA, Professeur des Universités, UFC Belfort. M. J. F. CHARPENTIER, Maitre de Conférences HDR, IRENav Brest. et particulièrement Madame Marie-Cécile PERA et Monsieur Alain BOUAYROL qui ont accepté la charge d être rapporteur C est avec joie que je salue les membres du LGEP, et plus particulièrement ceux de l équipe COCODI pour leur collaboration enrichissante et l ambiance agréable qu ils ont su créer dans ce laboratoire. Je pense spécialement à Ghislain REMY et Mickael HILAIRET, Maitres de Conférences à l IUT de Cachan, pour leurs soutiens et leurs disponibilités. J adresse mes vifs remerciements à tous mes amis, pour leur sympathie et leur encouragement durant ces années d étude, surtout dans les moments difficiles. Toute ma gratitude et mes chaleureux remerciements vont à ma famille et à ma belle famille. Enfin, je ne remercierai sans doute jamais assez ma chère épouse Djamila, qui a su faire preuve d une grande patience, de compréhension et m a accompagné et soutenu de façon permanente dans les moments difficiles. A ma très chère Dina Dina Remerciements Page 3

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5 Table des matières REMERCIEMENTS 3 Table des matières 5 Chapitre 1 Introduction Générale Défi énergétique : ressources et vecteurs énergétiques au centre du paradigme La filière hydrogène : vers un vecteur dominant? Contexte et objectifs de la thèse Structure du manuscrit 16 REFERENCES Chapitre 1 17 Chapitre 2 Générateur Pile à combustible : description et modélisation Introduction Description du système «Pile à Combustible à Hydrogène» Aperçu historique [KORD-1996] [COOK-21] Principe de fonctionnement Différentes technologies de piles à combustible et les applications associées Description des piles à membrane échangeuse de protons PEMFC Description d un système Pile à Combustible complet Circuit d alimentation en hydrogène Circuit d alimentation en air Sous-systèmes de gestion d eau et de température Description plus fine à des fins de commande Relation tension / courant Modélisation de la pile à combustible Comportement statique Comportement dynamique Contraintes spécifiques de la vue dans une logique de conception comme source principale Principe du système hybride à pile à combustible Eléments technologiques de stockage d énergie Différents types de dispositif de stockage Supercondensateurs Accumulateurs, piles et batteries [HW-25, BOUL-29, BLAN-29] Choix d un système de stockage d énergie Super-condensateur associée à un système : les enjeux Conclusion 44 REFERENCES Chapitre 2 45 Chapitre 3 Choix et pré-dimensionnement de structures de systèmes hybrides à Les enjeux de l alimentation électrique par et réservoir d hydrogène Cahier des charges pour la mise en application Définition du cahier des charges et profil de la demande en puissance Pré-dimensionnement des constituants du système 55 Table des matières Page 5

6 Dimensionnement de l empilement de cellules de la Dimensionnement du module de super condensateurs Discussion sur l utilisation du système : en mode courant ou en mode tension Introduction Fonctionnement à courant imposé Fonctionnement à tension imposée Analyse et classification de structures selon les degrés de liberté qu elles offrent Structures et degrés de liberté Structure directe (zéro degré de liberté) Structure indirecte à un convertisseur (un degré de liberté) Structure indirecte à un convertisseur connecté à la Structure à un convertisseur connecté au s Structure à deux convertisseurs (deux degrés de liberté) Bilan Conclusion 69 REFERENCES Chapitre 3 71 Chapitre 4 Pilotage d un électro-générateur hybride ( / ) Introduction Les enjeux du pilotage de l électro-générateur hybride Un état de l art sur le pilotage de l électro-générateur hybride La méthodologie de pilotage de l électro-générateur hybride Description de la plateforme expérimentale Système «Nexa BALLARD» Supercondensateurs Description de la carte DSPACE Système de charge Charge électronique programmable Charge deux quadrants «banc moteur» Autre équipement Convertisseurs Mesures Approche synthétique par la représentation REM Représentation fonctionnelle REM en vue d obtenir une structure de commande Principe de la représentation REM Représentation REM des deux électro-générateurs hybrides Structure de commande par utilisation des règles d inversion Principe de la commande par inversion Cahier des charges de l électro-générateur à deux convertisseurs Représentation REM de l architecture de commande de l électro-générateur à deux convertisseurs Représentation REM de l architecture de commande de l électro-générateur à un convertisseur Analyse détaillée de la commande de l électro-générateur à un convertisseur Détail sur la structure de commande Modélisation et synthèse de la loi de commande Résultats de simulation Commande basée sur la passivité (IDA PBC) Principe Conception de la loi de commande Structure de la loi de commande Modélisation et synthèse de la loi de commande Résultats de simulation 17 Table des matières Page 6

7 4.5 Validation expérimentale Validation expérimentale des résultats de simulations Choix du taux d hybridation Première évaluation du gain en termes d économie d énergie liée à l hybridation Conclusion 114 REFERENCES Chapitre Chapitre 5 Prise en compte des fonctionnements extrêmes Introduction Description fonctionnelle des comportements extrêmes vis-à-vis de l électro-générateur Description fonctionnelle de l électro-générateur étudié Description algorithmique de l électro-générateur étudié Gestion de l électro-générateur hybride en mode normal Description de l électro-générateur hybride en mode normal Structure de commande de l électro-générateur hybride en mode normal Gestion des limites locales Gestion de saturations en courant des sources Gestion de saturations de l état de charge du module s Gestion dans les cas extrêmes sollicitant les limites locales Validation expérimentale Validation expérimentale du comportement du système sur 1 cycle ECE Validation expérimentale de la gestion des fonctionnements extrêmes Conclusion 137 REFERENCES Chapitre Chapitre 6 Conclusion générale et perspectives Conclusion générale Perspectives 142 REFERENCES Chapitre REFERENCES 145 ANNEXES 155 Table des matières Page 7

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9 Chapitre / Introduction Générale 1.1 Défi énergétique : ressources et vecteurs énergétiques au centre du paradigme La filière hydrogène : vers un vecteur dominant? Contexte et objectifs de la thèse Structure du manuscrit 16 REFERENCES Chapitre 1 17 Chapitre : Introduction générale Page 9

10 Chapitre 1 Introduction Générale 1.1 Défi énergétique : ressources et vecteurs énergétiques au centre du paradigme Le monde est confronté à une double menace liée à l énergie : celle de ne pas disposer d approvisionnements suffisants et sûrs à des prix abordables, et celle de nuire à l environnement par une consommation excessive. La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir comme elle l a si souvent été dans l histoire de l humanité. Dans l histoire récente, les conflits du XX ème siècle ont démontré l importance des enjeux autour du contrôle des ressources pétrolières [LAUR-26]. Depuis le début de la révolution industrielle, la demande mondiale en énergie ne cesse d augmenter et ceci jusque dans des périodes récentes : 7,2 Mtep (*) en 198, 11,2 Mtep en 24 et des prévisions aux alentours de 17 Mtep en 23 (croissance moyenne de l ordre de 1,8 %/an en ) [DESA-25]. La première raison de cet accroissement continu et soutenu réside dans l augmentation de la population du nombre d humains : environ 1 milliard en 18, 4,5 milliards en 198, 6,4 milliards en 24 et aux alentours 8,1 milliards en 23 (croissance moyenne de l ordre de 1.5%/an en , de 1.1%/an en et de.8%/an ) [DESA-25]. La seconde raison tient à l évolution des modes de vie puisque l énergie moyenne consommée par habitant est elle aussi en augmentation : entre 4 % et 6 % par an pour la période (2 tep/an/habitant en 197). Soulignons qu après l année 2, la consommation énergétique par habitant s est stabilisée à un niveau 3 fois supérieur à ce qu il était au sortir du dernier conflit mondial [PBCAG]. Cette modification est légitime dans la mesure où l accès à l énergie permet d améliorer la qualité de vie et le niveau sanitaire, en particulier, pour les pays en voie de développement qui auront besoin de plus en plus d énergie pour mener à bien leur développement. De nos jours, une grande partie de la production mondiale d énergie primaire (11,2 Mtep en 24) est assurée à partir de sources fossiles (pétrole 35,2 %, charbon 25 %, gaz 21 % et uranium (*) Mtep : Méga tonne équivalent pétrole, 1 milliard = 1 9, 1 tep = 41,868 GJ = kwh Chapitre 1 : Introduction générale Page 1

11 16,2 %) [IEA-28]. Par ailleurs, il est important de noter que les hydrocarbures concentrent plus de 8 % de la consommation d énergie primaire. Cette utilisation ciblée se justifie car ces trois sources bénéficient d une grande énergie massique spécifique (environ 4 MJ/kg pour le pétrole, 2 MJ/kg pour le charbon, et 6 MJ/kg pour le méthane). Le pétrole présente également l avantage d être un carburant liquide facile à transporter, à stocker et à utiliser une fois raffiné ; ceci explique son utilisation généralisée dans un grand nombre d applications. Toutefois, dans des conditions de ressources moins abondantes, il paraît évident que les applications doivent être hiérarchisées et les ressources primaires allouées en fonction de leur adéquation au besoin. Cette optimisation globale n a été que timidement entreprise et cette démarche se retrouve dans la stabilisation de la croissance de l énergie annuelle consommée par habitant. Toutefois, à court terme et à grande échelle, une attitude volontariste devient nécessaire car l accroissement excessif de la consommation de ces ressources engendre des effets qui pourraient s avérer catastrophiques pour l avenir de la planète. D une part, les énergies fossiles ne sont pas renouvelables à l échelle de quelques générations humaines ; aussi l épuisement progressif et inéluctable des gisements s accompagnera d une montée des prix, de tensions géopolitiques accrues et du questionnement des nouvelles générations par rapport au comportement des anciennes [ENA-26]. D autre part l utilisation de ces matières primaires a une empreinte écologique mondiale forte. La combustion des hydrocarbures libèrent d importantes quantités de gaz à effet de serre, dont le CO 2, responsables du changement climatique (réchauffement moyen et dérèglements locaux) [GIEC-27]. Et on sait comment des changements climatiques même apparemment mineurs peuvent avoir de l importance pour l aventure humaine ; l historien Emmanuel Le Roy Ladurie en rend compte dans son étude documentée de l influence du climat sur notre histoire récente (dernier millénaire) [LERO-1967, LERO-27]. De même la fission de l uranium produit des déchets radioactifs finaux difficiles à stocker et dont la conservation doit être planifiée sur une période très longue (équilibre écologique difficile à garantir pour les générations à venir) [IEA-28]. Face à cette pénurie d énergie annoncée et une crise écologique potentielle, trouver une alternative aux ressources fossiles est devenu plus que jamais nécessaire. C est un enjeu majeur pour le monde de demain. Cette prise de conscience collective a entraîné des réglementations toujours plus strictes sur les émissions polluantes et la consommation de combustibles, dans les deux secteurs les plus concernés, les transports (Euro 5, Euro 6 en Europe) [JUR -27] et les résidentiels (RT-25, BBC en Europe/France) [DGUHC-26]. Cela incite au développement de nouvelles filières énergétiques. Plusieurs solutions ont été proposées à cet effet. Elles peuvent être classées en deux grandes catégories : - La première consiste à améliorer les technologies existantes à savoir, travailler à l amélioration du rendement des systèmes thermiques, rechercher l utilisation de carburants alternatifs moins polluants, optimiser les stratégies de gestion d énergie, maîtriser la demande, mettre en place de normes de plus en plus restrictives (Euro,, Euro 6 pour les véhicules en Europe et RTE 25, pour la réglementation énergétique des habitats en sont deux exemples). Bien que ces améliorations aient déjà permis d importants progrès, elles doivent être accompagnées d une modification des comportements des utilisateurs eux-mêmes et d une diversification du panel énergétique global. - Pour répondre au défi d une réduction encore accrue des consommations et des émissions, d autres ressources doivent être envisagées, cette fois-ci renouvelables à l échelle d une génération et présentant une faible empreinte environnementale. De fait chaque année la planète terre reçoit 3 85 zettajoules du soleil, soit environ 1 9 TWh. L énergie solaire se convertit ensuite en biomasse (par photosynthèse), courants marins, vents etc. Cette énergie est très importante si on la compare aux 19 8 TWh primaires annuels nécessaires à l activité humaine. En un point donné, la ressource solaire est fortement fluctuante : cycle jour-nuit, conditions météorologiques, saison, obstacles Il en est de même pour l énergie induite que constitue les vents par exemple. Toutefois, de nombreuses filières permettant de valoriser directement l énergie solaire (par voie thermique ou voie photovoltaïque) ou l énergie éolienne sont arrivées à maturité industrielle. Avec ce type de ressources à régime intermittent, production et consommation énergétiques sont découplées. Aussi, l utilisation d énergies renouvelables à des taux significatifs voire majoritaires ne peut donc être envisagée sans des moyens de stockage denses et efficaces associés à une gestion intelligente des flux énergétiques. Ce stockage peut se décliner sous diverses formes. L énergie peut être stockée sous forme mécanique (énergie potentielle dans le cas d une retenue d eau d un barrage hydroélectrique ou énergie cinétique dans un volant d inertie), thermique (ballon d eau chaude), chimique (réservoir de méthanol, réservoir d hydrogène, piles et accumulateurs), voire magnétique (bobine supraconductrice). Dans le contexte d une forte intégration des énergies renouvelables, l hydrogène paraît être un candidat intéressant. En effet, il présente la plus grande densité énergétique massique (12 MJ/kg). Notons toutefois que si sa densité d'énergie massique est trois fois plus élevée que celle de l essence, sa densité d'énergie volumique est en revanche plus faible ; en effet, un litre d'essence équivaut, sur le plan énergétique, à 4,6 litres d'hydrogène comprimé à 7 bars. Néanmoins, sa combustion ne dégage que de la vapeur d eau, qui est certes un puissant gaz à effet de serre, mais qui entre dans un cycle de vie court (comparé au C 2, au CH 4, aux NO X, ). Ceci est d autant plus vrai dans le cas où l hydrogène a été créé par craquage de la molécule d eau. En dernier lieu, plusieurs procédés pourraient cohabiter pour le produire. Bien entendu, il existe l électrolyse de l eau. Mais il est Chapitre 1 : Introduction générale Page 11

12 également possible de tirer profit de chaleurs résiduelles à hautes températures [GALL-25] voire de le récupérer en sortie de certains procédés industriels. Par ailleurs, la possibilité de réaliser une oxydoréduction dans des piles à combustible, plutôt qu une combustion directe de l hydrogène dans une machine thermique, permet de produire directement de l électricité est un autre atout de cette molécule. En effet, l électricité permet une utilisation énergétique sans pollution locale (pas d émission de polluant et bruit faible). Dans de nombreux cas (motorisation par exemple), les convertisseurs associés ont un bon rendement et une excellente durée de vie allégeant ainsi la maintenance et limitant le renouvellement de matériel. C est d ailleurs la raison pour laquelle la part de ce vecteur d énergie augmente continuellement. Sur la période , la production d électricité augmente au rythme moyen de + 4% et en 27, l électricité représente 17,8 % de la consommation finale d énergie (96 1 TWh) [IEA-28]. Pour les 19 8 TWh électriques produits dans le monde en 27, il a fallu consommer 44 TWh d énergie primaire soit 32% de l énergie primaire convertie cette même année. La part de l électricité dans les utilisations finales est donc d ores et déjà très élevée et pourrait encore croître pour ses qualités intrinsèques et sa très bonne acceptabilité sociale. Cela d autant plus si l hydrogène venait à compléter son plus gros inconvénient à savoir sa très faible capacité de stockage sous forme électrique et la nécessité qui en découle de la consommer quasi instantanément. La figure.1 résume comment la problématique énergétique est aussi une problématique de flux. L insertion de nouveaux vecteurs d énergie peut permettre de crédibiliser de nouvelles filières de production comme de nouveaux convertisseurs dans les applications. Cette reconsidération des hiérarchies passe par un bilan technique global et une acceptation sociale. Ressources primaires Fossile Nucléaire Renouvelable Vecteurs Chaleur Electricité Hydrogène Conversion Conversion Stockage de l énergie mécanique, thermique, chimique Hydrogène Restitution Utilisation Co-génération, Transports, applications portables, alimentations de secours,. Fig..1 Schéma énergétique 1.2 La filière hydrogène : vers un vecteur dominant? L ensemble des technologies d hydrogène, de la production à l utilisation en passant par les technologies de stockage, de transport et de distribution de ce vecteur énergétique futur, est appelé à jouer un rôle essentiel dans l émergence d une filière hydrogène majeure (Fig..2). Conversion Utilisation Eolien PAC Photovoltaïque Électrolyseur H 2 VEH PAC Hydrolienne Energies renouvelables Stockage Fig..2 Chaine idéale d hydrogène : Production / Stockage/ Utilisation. H 2 ICE Chapitre 1 : Introduction générale Page 12

13 Essentiellement utilisé en tant que gaz dans des procédés de chimie industrielle, l hydrogène est aujourd hui envisagé comme vecteur énergétique de grande échelle ; on parle «d hydrogène énergie». Du côté de l utilisation finale, il pourra être associé aux piles à combustible (). Ainsi, l hydrogène pourrait remplacer l option classique que représente le couple hydrocarbures/système à combustion (moteur, turbine, etc.) et également se substituer aux batteries dans les appareils «nomades» (ordinateurs, téléphones mobiles etc.) pour en accroître l autonomie. Dans la partie amont de la filière, la situation idéale poursuivie est la production massive et «propre» de l hydrogène à partir des énergies renouvelables et des énergies caloriques résiduelles. Entre ces points d entrée et de sortie, le stockage joue un rôle important pour découpler l'offre de la demande, tant en terme de lieu que de temps. Le découplage des lieux de production et de consommation pose donc aussi le problème d une distribution efficace. A l heure actuelle la production est loin de l idéal visé puisque l hydrogène est produit pour près de 96 % à partir d hydrocarbures et, le gaz naturel est, de loin, la matière première la plus utilisée [HIS-24]. Le reformage du gaz naturel à la vapeur d eau constitue le procédé le plus économique. La production par électrolyse, qui reste nettement plus coûteuse, n est, pour l heure, utilisée que marginalement. Mais, selon plusieurs études réalisées dans le but d établir l évolution du coût de production d hydrogène par électrolyse, on recense une baisse considérable du coût à l avenir. D après [LEVE-26], le coût du système éolien / électrolyseur (investissement) et le coût de production d hydrogène (usage) connaîtront à d'ici 23 une réduction importante (Fig..3). Ce qui rend cette voie prometteuse pour un avenir propre. Fig..3 Evolution du prix de production d hydrogène [LEVE-26] Les bénéfices d une telle évolution, pour ne pas dire révolution, sont : une diminution de la pollution des centres urbains ; une forte réduction des émissions de gaz à effet de serre ; et enfin, un renforcement de l indépendance énergétique des pays importateurs de pétrole. La pile à combustible, réacteur électrochimique permettant de convertir l énergie de l hydrogène en électricité avec un rendement élevé, est le moyen par excellence pour utiliser ce vecteur énergétique afin d alimenter des charges électriques, bénéficiant ainsi des vertus de l électricité, notamment dans le cadre du transport (souplesse de réglage, durée de vie, compacité, bruit ). Les systèmes d alimentation à pile combustible présente les intérêts d un système électrique (pas d émission locale de polluant) et l avantage d un système conventionnel à savoir une grande autonomie. Plusieurs études ont été réalisées dans le but d établir de façon plus précise l intérêt des filières hydrogène en matière d émission de gaz à effet de serre et de consommation d énergie [HIS-24]. Selon, une étude réalisée dans le cadre d une collaboration au niveau européen entre le Centre Commun de Recherche de la Commission Européenne (JRC), le CONCAWE (qui est l association européenne des compagnies pétrolières traitant des questions liées à l environnement) et l EUCAR (bras R&D de l Association Européenne des Constructeurs d Automobiles), les solutions utilisant de l hydrogène (même issu du reformage du gaz naturel) présentent un bon bilan, puisqu elles permettent une réduction de 3 % en consommation d énergie et de près de 5 % en rejet de gaz à effet de serre par rapport à la référence gazole [HIS-24]. Après une première phase de développement limitée seulement aux applications où le coût est un facteur secondaire, les marchés prometteurs des piles à combustible apparaissent aujourd hui multiples, notamment pour la technologie PEMFC Chapitre 1 : Introduction générale Page 13

14 (Protons Exchange Membrane Fuel Cell). Par rapport aux autres piles (AFC à électrolyte liquide alcalin, PAFC à électrolyte à acide phosphorique, SOFC à électrolyte à céramique), Cette technologie retient l attention pour ses avantages, à savoir : sa membrane solide (peu de fuites dues aux vibrations, pas de propriétés corrosives de l électrolyte, durée de vie potentiellement élevée de la cellule), sa densité massique de puissance qui est la plus élevée des piles à combustible et la rend ainsi compacte ainsi que son temps de démarrage relativement court lié à son fonctionnement à basse température. Nous pouvons distinguer trois grands domaines d applications : systèmes portables, systèmes stationnaires et systèmes liés au transport. Parmi les produits les plus aboutis [BTIW-24], il convient de citer le projet FCHV-adv de la société Toyota [KAW-21] qui est un véhicule 5 places à motorisation électrique s appuyant sur une alimentation hybride qui associe une pile à combustible PEMFC et des batteries NiMH. Basé sur une plateforme SUV Kluger, ce véhicule comporte quatre réservoirs à hydrogène sous 7 bar permettant d assurer une autonomie d environ 8 km (capacité de 156 l), une pile à combustible de 9 kw et une traction par moteur synchrone à aimants également de 9 kw qui permet d atteindre la vitesse maximale de 155 km/h. A ce jour, 33 véhicules sont en service (22 au Japon et 11 aux USA) et permettent un retour d expériences pour le constructeur ; la commercialisation est annoncée pour 215. Aux Etats-Unis, les firmes Daimler-Benz et Ballard ont conçus le concept F Cell basé sur une architecture de Mercedes Classe B d une puissance disponible de 1 kw. La voiture est hybridée avec une batterie Li-ion et équipée d un réservoir d hydrogène sous 7 bars lui donnant une autonomie voisine de 4 km. Des programmes audacieux au niveau européen sont mis en place tel le programme CUTE à partir de 23 devenu le programme «Hydrogène pour les transports» faisant circuler des bus fonctionnant à pile à combustible dans de nombreuses capitales européennes. Au niveau académique, plusieurs recherches sont effectuées allant de la compréhension du cœur de la pile à combustible jusqu à son intégration dans un système de génération électrique. En Europe, nous pouvons distinguer, le projet de démonstration HICHAIN Minitrans qui a permis de tester dans quatre régions de l union européenne, des véhicules alimentés par pile combustible. Et dans Air Liquide est le coordinateur général. Cette dernière a récemment participé à la création et la mise en service de plusieurs stations de services. Une à Madrid et une au Luxembourg alimentant chacune trois bus à pile à combustible dans le cadre du projet CUTE «Clean Urban Transport for Europe». Une troisième construite au japon par japon Air Gases, filiale d Aire Liquide, fournit un bus et trois voitures en H 2. Au niveau national, on compte, une collaboration entre le CEA Centre d Energie Atomique et le groupe PSA en 22, dans le projet GENEPÀC (GENérateur Electrique à Pile A Combustible) [CEA-26], qui a permis la mise au point en 25 de la pile à combustible la plus puissante et la plus compacte jamais développée en France, pour une éventuelle intégration dans un véhicule. Cette est aujourd hui intégrée dans un véhicule démonstrateur Peugeot (37 cabriolet) associant réservoir à hydrogène et batteries (Li-Ion) et également dans un voilier alimentant son moteur auxiliaire électrique indispensable à toutes les manœuvres de port, dans le cadre du projet «Zéro CO2», dont l objectif est de démontré l efficacité du mix énergétique propres sans rejet direct de gaz. Par ailleurs, le projet COPPÀCE COntribution au Pilotage de Pile A Combustible Embarquée, menée par la société ALSTOM et quelques laboratoires académiques (LEEI- INPT, CEA LHPÀC etc) avait pour but d étudier une chaîne de traction hybride à pile à combustible pour une application ferroviaire. Malgré des caractéristiques énergétiques et environnementales intéressantes ainsi que des solutions technologiques variées, la, comme d autres convertisseurs d énergie non conventionnels, n est pas une source électrique idéale. Sur l aspect technologique, ces à hydrogène sont encore à améliorer sur un certain nombre de points : diminution de leur coût, augmentation de leur durée de vie et nécessité d un démarrage rapide même en condition de grands froids. D'un point de vue système, les générateurs présentent des caractéristiques intrinsèques insuffisantes (temps de démarrage long, dynamique lente, une surveillance accrue ) et une non-réversibilité en puissance [CORB-29], [WAHD-28], [HARE- 27], qui, soit ne leur permettent pas de répondre directement aux exigences de certaines charges, soit minorent leurs performances et leurs durées de vie. L impact de ces limites d utilisation est bien-entendu lié à l application finale. En effet, pour des applications à variations lentes et faibles dynamiques d utilisation telles que les applications stationnaires comme la cogénération pilotée par la génération thermique et les alimentations de secours, les systèmes conviennent parfaitement sans voir leurs performances se détériorer. En revanche, dans les applications présentant des régimes dynamiques rapides et/ou de fortes fluctuations de la demande, les performances des se trouvent fortement altérées. Un exemple emblématique de ce type d application est l automobile qui présente des profils de puissance très chahutés et imprévisibles ainsi que des conditions opératoires sévères? (température, polluants, ) Pour répondre à ce type de charges, il convient donc d adjoindre au générateur une source d énergie auxiliaire capable tout à la fois de fournir ou de récupérer l énergie «impulsionnelle» (accélération, freinage) et de pallier les défaillances temporaires de la (noyage des diffuseurs de gaz, insuffisance accidentelle de l alimentation en réactif). En effet, l idée consiste à combiner deux sources formant ainsi un système hybride, de manière à cumuler les avantages de chacune d entre elles. Bien entendu, l attractivité de l utilisation de la dépend fortement de la qualité de l assistance et de celle de la gestion d énergie associée. C est donc l origine de ces travaux de thèse : la conception, la commande et gestion d énergie de systèmes hybrides à pile à combustible. Chapitre 1 : Introduction générale Page 14

15 1.3 Contexte et objectifs de la thèse Forte de ses promesses, la (plus particulièrement la technologie PEMFC) fait inéluctablement son chemin vers le marché. Après avoir démarré dans des marchés précurseurs liés aux applications stationnaires (groupe électrogène silencieux pour plateau de cinéma [AXANE] par exemple), elle pourrait trouver un débouché dans les applications portables et est sérieusement envisagée dans l'avenir comme une alternative séduisante au pétrole dans les transports [TERRE]. Cette dernière application est à la fois très concurrentielle (production de grande série) et soumise à des contraintes techniques élevées (compacité, durée de vie, profils de charge et conditions variées d utilisation). En absence d hybridation, le générateur PÀC ne peut prétendre répondre durablement à ce type de charge, principalement à cause de sa dynamique lente, entraînant ainsi tout à la fois une dégradation d efficacité énergétique en fonctionnement et une réduction significative de la durée de vie [BOBL-29]. Par conséquent, il s avère nécessaire d utiliser un système d assistance, pour pallier les limites intrinsèques des. Ceci fait l objet de nombreux travaux de recherches. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse entre dans cette problématique : il s agit d étudier un système hybride ayant une pile à combustible - associée à un réservoir d hydrogène - comme source primaire de puissance. Nous souhaitons remédier aux limites du générateur en concevant l architecture d hybridation, sa commande et la stratégie de gestion d énergie et de puissance associée. Par conséquent, une connaissance même simplifiée des phénomènes mis en jeu dans un système, en fonctionnement dynamique comme en fonctionnement statique, est indispensable comme pré-requis à cette étude. Ce constat est à l origine de notre premier jalon qui consiste à caractériser le fonctionnement externe du générateur sous des sollicitations variables et variées. Dans ce cadre, un modèle dynamique simple, en vue de la commande, a été développé et décrit l évolution du comportement électrique de la PÀC, à la fois statique et dynamique. Il permet de comprendre la mise en place de situations pouvant dégrader le système voire le rendre inopérant et de développer une stratégie qui évite ces points de mauvais fonctionnement. La seconde étape consiste dans le choix d un élément auxiliaire ayant des caractéristiques intrinsèques complémentaires à celles du système. Force est de constater que, par son principe de stockage électrostatique, la technologie supercondensateur () offre une très grande densité de puissance associée à une densité énergétique réduite ce qui la qualifie au regard du critère précédent. Par ailleurs, son niveau de maturité permet aujourd hui son utilisation industrielle comme source auxiliaire de puissance. Par rapport aux batteries classiques, les s présentent l avantage de disposer d une durée de vie élevée (> 1 millions cycles), d un fonctionnement dans une large plage de température (- 4 C + 8 C), d une fiabilité élevée et d une efficacité énergétique importante. Tous ces atouts permettent aux s de répondre aux exigences d assistance à la PÀC. Dans notre travail, nous choisissons cet élément comme organe d assistance. Les deux organes principaux d énergie et de puissance étant choisis, il faut envisager le choix de la structure qui offre la meilleure possibilité de gestion de l ensemble du point de vue de la charge comme du point de vue interne. En particulier, il faut prendre en compte le fait que la pile à combustible comme les s sont des sources imparfaites présentant des caractéristiques propres "tension-courant". Aussi, le contrôle précis des puissances sous la contrainte d une grande dynamique de tension imposée par les deux sources nécessite l utilisation d une interface d électronique de puissance. En conséquence, le comportement global du système dépend à la fois du positionnement des convertisseurs et des organes de stockage au sein du réseau électrique. L introduction d un organe de stockage intermédiaire peut ainsi être réalisée par un nombre important d architectures différentes. Dans ce mémoire, différentes architectures du système hydride reposant sur l'utilisation d'aucun, d'un ou deux convertisseurs statiques ont été envisagées et l'analyse de leur comportement électrique a conduit au choix des structures à étudier. De part sa conception et sa structure le générateur hybride à fait partie des systèmes pluridisciplinaires. Il demande des compétences multiples pour son développement, sa conception et sa gestion d énergie. La gestion de l énergie électrique est au cœur même de la problématique de ce type d alimentation. En effet, diverses fonctionnalités y sont associées : la production d énergie électrique (piles à combustible), le stockage (supercondensateurs, ) la réalisation d étages d adaptation (convertisseurs statiques, bus continu ) et la conversion de l énergie électrique pour l utilisation finale (machines électriques de traction, résistance de dissipation ). Au cœur des travaux de cette thèse se situe le développement de lois de gestion d énergie en ligne pour les structures étudiées. Ceci consiste dans la commande du système hybride et la loi de répartition de la demande de puissance entre les deux sources, avec comme objectifs : satisfaire la charge (en dynamique et en niveau de puissance) et respecter l intégrité de chacune des sources (dynamique lente de la, niveau de charge des s etc). Une réalisation aboutie permet de limiter voire d éliminer les facteurs dégradants du générateur et d obtenir une économie de combustible sur un cycle de fonctionnement. Chapitre 1 : Introduction générale Page 15

16 La problématique ainsi définie implique un certain nombre de contraintes rarement traitées. En effet, nous devrons porter une attention particulière aux fonctionnements aux limites du système dans la mise au point de la gestion d énergie. Ceci concerne la mise au point de protections contre des fonctionnements accidentels. En effet, des cycles exceptionnellement contraignants entraîneraient le système au delà de ses limites, ce qui conduirait à une faille majeure dans la fiabilité de fonctionnement et mettrait en péril la sécurité du système. Dans ce travail, nous avons décidé de prendre en compte ces cas extrêmes et de leurs attribuer une stratégie de gestion adaptée pour éviter d endommager le système comme pour préserver les degrés de réglage lors du retour au mode nominal. Ainsi une charge sortant des spécifications de l alimentation n endommagera pas celle-ci ; seule l efficacité énergétique en sera affectée. 1.4 Structure du manuscrit Ce mémoire de thèse s organise en quatre chapitres : Le premier chapitre, «Générateur Pile à Combustible : description et modélisation», décrit tout d abord le générateur PÀC, de la cellule au système. Dans un second temps, une description plus fine est abordée par une modélisation du système en vue de la commande. Il s agit de caractériser le générateur par un modèle dynamique simple mais décrivant bien l évolution de ses grandeurs électriques de sortie. Après avoir justifié la nécessité d utiliser une assistance électrique à la, une description des principaux systèmes de stockage (candidats potentiels) est présentée, en vue d un choix du constituant d assistance à la. Le deuxième chapitre, «Architecture d un électro-générateur hybride ( / )», présente en premier lieu les moyens de pilotage du générateur, puis une étude de comportement pour différentes architectures envisageables de système hybride. Le cahier des charges de notre application illustrative est présenté et conduit à un pré-dimensionnement de l ensemble du système. Cette spécification oriente également le choix de la structure à étudier. Le troisième chapitre, «Pilotage d un électro-générateur hybride ( / )», est consacré à la modélisation, la commande et la gestion d énergie des systèmes hybride retenus. Il s agit d étudier la commande rapprochée du système et le développement de lois de gestion d énergie en ligne pour les deux structures choisies. Dans un premier temps, la Représentation Energétique et Macroscopique (dite REM) est utilisée pour décrire fonctionnellement notre système. La commande par inversion associée à cette modélisation est explicitée et permet de faire apparaître les degrés de liberté offerts par la structure de ce système hybride. Ceux-ci sont exploités par une stratégie de gestion d énergie. Les stratégies de gestion développées s appuient sur la décomposition fréquentielle des sollicitations de la charge, permettant la répartition de la demande entre les deux sources selon les critères spécifiés et/ou les caractéristiques intrinsèques des constituants élémentaires. Ainsi, la structure de commande obtenue s apparente à des boucles de commande en cascade pour les deux structures (un et deux convertisseurs). Dans un second temps, une approche alternative peut être réalisée par la méthode de l assignation de l interconnexion et d amortissement (Interconnexion and Damping Assignment IDA), commande basée sur la passivité (Passivity-Based Controller PBC). Cette dernière assure la gestion d énergie et la stabilité du système en le rendant passif. Dans le cadre de ces travaux, un banc d essai modulaire a été développé et permet l étude comparative de différentes architectures ainsi que des différentes commandes associées. Ce banc est présenté et la démarche expérimentale est exposée et commentée. Le quatrième chapitre, «Prise en compte des fonctionnements extrêmes», permet de rendre l étude précédente parfaitement opérationnelle. En effet, d un point de vue matériel comme algorithmique, il faut prévoir et prendre en compte le fonctionnement du système une fois atteintes ses limites intrinsèques. Cette étude nous conduit à proposer une stratégie de gestion de saturations et limites du système ainsi qu à mettre en place un système de dissipation. Une validation expérimentale sur le banc développé est exposée. Chapitre 1 : Introduction générale Page 16

17 REFERENCES Chapitre 1 [AXANE] [BOBL-29] Sébastien BOBLET, bilan : SPÀCT-8, Séminaire Pan-H, 6-7 Avril 29. [BTIW-24] Breakthrough Technologies Institute Washington, Fuel Cell Vehicle World Survey 23, 24. [CEA-26] Direction de Communication CEA, GENEPÀC, première pile à combustible PSA Peugeot Citroën / CEA 26. [CORB-29] P. CORBO, F. MIGLIARDINIA and O. VENERI, Dynamic behaviour of hydrogen fuel cells for automotive application, Renewable Energy, Vol.34, pp , August 29. [DESA-25] Department of Economic and Social Affairs, Population Division, World Population Prospects: The 24 Revision, New York, 24 February 25. [DGUHC-26] Direction Générale de l Urbanisme de l Habitat et de la Construction, Réglementation Thermique 25 : des Bâtiments Confortables et Performants, mai 26. [ENA-26] ENA, Direction des études, Les Interrogations Sur l'evolution de La Demande Mondiale, Séminaire Energie et société, 26. [GALL-25] Damien GALLET et Romain GRATIEN, l Electrolyse Haute Température, CLEFS CEA-N, [GIEC -27] GIEC, Bilan 27 des changements climatiques : Rapport de synthèse, Genève, Suisse, 28. [HARE-27] F. HAREL, X. FRANÇOIS, D. CANDUSSO, M.-C. PERA, D. HISSEL and J.-M. KAUFFMANN, PEMFC durability test under specific dynamical current solicitation linked to vehicle road cycle, Fuel Cells from Fundamentals to Systems, Wiley-VCH, vol. 7, pp , Apr. 27. [HIS-24] Stéphane HIS, L hydrogène : vecteur énergétique du futur?, IFP - Diffusion des Connaissances, panorama 24. [IEA-28] International Energy Agency, World Energy Outlook, WEO-28, OECD/IEA, France, 28. [JUR -27] Journal officiel de l Union européenne Règlement (CE) n 715/27 du Parlement européen et du Conseil, relatif aux émissions (Euro5, Euro 6), 2 juin 27. [KAW -21] T. KAWAI, E-mobility development of Toyota, Keynote of Mr. Taiyou Kawai, Toyota Motor Corp., VPPC21 Lille (France). [LAR -23] J. LARMINIE and A. DICKS, "Fuel Cell Systems Explained", John Wiley & Sons [LAUR-26] E. LAURENT, La face cachée du pétrole, édité chez Plon, ISBN : , 26. [LERO-1967] E. LE ROY LADURIE, Histoire du climat depuis l'an mil Flammarion, [LERO-27] E. LE ROY LADURIE, Abrégé d'histoire du climat du Moyen Âge à nos jours. Entretiens avec Anouchka Vasak, Fayard, 27. [LEVE-26] J. LEVENE, B. KROPOSKI, and G. SVERDRUP, Wind Energy and Production of Hydrogen and Electricity Opportunities for Renewable Hydrogen, POWER-GEN Renewable Energy and Fuels Technical Conference, Las Vegas, Nevada, April, 26. [PBCAG] Plan Bleu Centre d'activités Régional, Consommation énergétique annuelle par habitant, [TERR] [WAHD-28] B. WAHDAME, L. Girardot, D. HISSEL, F. HAREL, X. FRANCOIS, D. CANDUSSO, M.C. PERA, and L. DUMERCY, Impact of power converter current ripple on the durability of a fuel cell stack, Int. Symposium on Industrial Electronics, IEEE-ISIE8, pp , Jul. 28. Chapitre 1 : Introduction générale Page 17

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19 Chapitre 1 / Générateur Pile à Combustible : description et modélisation 2.1 Introduction Description du système «Pile à Combustible à Hydrogène» Aperçu historique [KORD-1996] [COOK-21] Principe de fonctionnement Différentes technologies de piles à combustible et les applications associées Description des piles à membrane échangeuse de protons PEMFC Description d un système Pile à Combustible complet Circuit d alimentation en hydrogène Circuit d alimentation en air Sous-systèmes de gestion d eau et de température Description plus fine à des fins de commande Relation tension / courant Modélisation de la pile à combustible Comportement statique Comportement dynamique Contraintes spécifiques de la vue dans une logique de conception comme source principale Principe du système hybride à pile à combustible Eléments technologiques de stockage d énergie Différents types de dispositif de stockage Supercondensateurs Accumulateurs, piles et batteries [HW-25, BOUL-29, BLAN-29] Choix d un système de stockage d énergie Super-condensateur associée à un système : les enjeux Conclusion 44 REFERENCES Chapitre 2 45 Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 19

20 Chapitre 2 Générateur Pile à combustible : description et modélisation 2.1 Introduction Nous avons vu que les sociétés humaines sont inquiètes par la survenue de deux phénomènes. D une part les limites des réserves en énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon et uraniums) et les difficultés croissantes à les extraire facilement. D autre part, la consommation énergétique basée sur le modèle actuel devient tellement importante qu elle a un rôle reconnu sur le dérèglement climatique. L épuisement des énergies primaires contemporaines et l action anthropique sur le climat poussent des organismes internationaux comme l IEA (International Energy Agency) à prôner une modification du panel énergétique actuel. Ainsi, l hydrogène en tant que vecteur d énergie peut jouer un rôle dans cette réorientation des flux énergétiques en rendant pertinent le développement de nouvelles filières de production basées sur des énergies à plus faible empreinte comme le solaire ou l éolien. Au bout de ces nouvelles chaînes énergétiques se trouvent la pile à combustible () qui autorise la conversion directe de l énergie chimique (hydrogène) en énergie électrique finale. Aussi, ce nouveau contexte ravive t-il l intérêt pour ce convertisseur découvert par Grove en Durant ces dernières années, de nombreuses entreprises, des centres de recherche, universités et gouvernements s'impliquent dans les projets de recherche et développement "piles à combustible" et des programmes sont mis également en place pour les tester dans des applications quotidiennes. L objectif de la première partie de ce chapitre est de décrire tout d abord ce générateur, de la cellule au système. Dans un second temps, une description plus fine est abordée par une modélisation du système en vue de la commande et dans le but de l insérer dans un modèle complet d électro-générateur basé sur une. Aussi, s agit-il de caractériser le générateur par un modèle dynamique simple mais décrivant bien l évolution de ses grandeurs électriques de sortie. Après avoir justifié la nécessité d utiliser une assistance électrique à la, la deuxième partie est consacrée aux systèmes de stockage d énergie. Nous passons en revue les principaux systèmes de stockage (candidats potentiels) afin de mettre en évidence un des systèmes de stockage d énergie, qui sera utilisé par la suite. 2.2 Description du système «Pile à Combustible à Hydrogène» Aperçu historique [KORD-1996] [COOK-21] C est un peu avant 184 que William GROVE avocat britannique passionné de la physique, décrit la première pile à combustible (appelée fuel cell dans la littérature anglo-saxonne). Elle utilise de l hydrogène et d oxygène, fonctionne à basse température, possède des électrodes de platine et emploie de l acide sulfurique comme électrolyte. Pendant une centaine Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 2

21 d années, de nombreuses recherches théoriques furent menées tant en thermodynamique qu en électro-chimie. Des progrès pratiques furent également accomplis, révélant les potentialités indéniables de la filière. Cependant, en 1939, le bilan du premier siècle de recherches était plutôt pessimiste quant à un débouché industriel de grande envergure. Après 1945, trois groupes de recherche (aux Etats Unis, en Allemagne et en URSS) reprirent les études sur les principaux types de générateurs, en apportant les améliorations technologiques nécessaires à un développement industriel. En effet, l enjeu majeur était de pouvoir embarquer un tri-générateur (électricité, eau et chaleur) à bord des vols habités en préparation. Durant cette longue période, la maturation technologique des piles à combustible a été étroitement associée aux contraintes de la conquête spatiale. Ces travaux ont débouché sur les concepts actuels, notamment chez Siemens et Pratt and Wittney aujourd hui dans le même groupe que IFC (International Fuel Cell). Les premières applications des piles à combustible furent les programmes spatiaux du début des années 6, GEMINI, APOLLO, SPACElab... pour lesquels furent développées des piles à membranes (General Electric), et des piles alcalines sous pression (Pratt and Wittney). Depuis les années 197, de nombreux efforts de recherche ont été entrepris par de très grosses entreprises industrielles, très souvent aidés par des fonds publics, dans le cadre de programmes nationaux ou multi nationaux de diversification énergétique ou de protection de l environnement. Les nouveaux développements sont donc désormais orientés vers une baisse des coûts de production, une augmentation de la durée de vie, une augmentation de la fiabilité des systèmes électro-générateurs basés sur les piles à combustible. Aussi, les progrès réalisés ces dernières années (199-21) dans ces domaines permettent désormais d envisager l émergence de marchés de niche pilotés par des normes ou des contraintes importantes (engin à chariot élévateur ou éclairage sur des plateaux de tournage cinématographique par exemple). L espoir est que ces marchés de faible volume permettent le développement d une filière hydrogène de la fabrication de l hydrogène à son utilisation en passant par son stockage et son transport. Si l expérience se révèle positive sur tous les aspects évoqués, cette filière pourrait alors se généraliser à un horizon de dix à vingt ans et faire de l hydrogène un nouveau vecteur d énergie Principe de fonctionnement Une pile à combustible est un assemblage de cellules élémentaires, en nombre suffisant pour assurer la production électrochimique d électricité dans les conditions de tension et courant voulues. Une cellule élémentaire forme le noyau de la pile à combustible. Cette cellule est responsable de la conversion électrochimique de l énergie chimique (combustible) en une énergie électrique. La structure de base d une cellule est constituée de deux compartiments disjoints alimentés chacun par les gaz réactifs. Les deux électrodes, séparées par un milieu conducteur ionique appelé électrolyte, complètent le dispositif formé. La figure 1.1 en donne une illustration schématique. Pour les piles de haut rendement fonctionnant à basse température, le combustible le plus employé est l hydrogène sous forme gazeuse. Suivant la nature de l électrolyte, acide ou basique, l eau formée par oxydation de l hydrogène est produite à la cathode (dans le premier cas) et à l anode (dans le second cas). Dans les deux cas, le réacteur produit donc, de l eau, de l électricité et de la chaleur. Entrée e combustible (H 2, ) Sortie combustible restant et gaz produit Anode e - e Charge - Ion positif ou Ion négatifn Cathode Entrée e oxydant (O 2, ) Sortie oxydant restant et gaz produit Électrolyte Fig.1.1 Schéma de principe d une cellule de pile à combustible Différentes technologies de piles à combustible et les applications associées Depuis le début des programmes spatiaux américains de R&D sur les piles à combustible, plusieurs types de classifications ont été utilisés, basés sur des critères tels que le combustible, la température d utilisation, la nature de l électrolyte, la géométrie des systèmes, etc. À présent la communauté scientifique a adopté une classification par type d électrolyte. Ainsi, Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 21

22 selon le choix de l électrolyte et du combustible utilisé déterminant ainsi les réactions aux électrodes et le type d ions qui traversent l électrolyte et conditionne de plus la température de fonctionnement de la pile. Le tableau 1.1 récapitule l ensemble des caractéristiques des principales piles actuellement en développement, classées par niveau de température avec des gammes puissance visée. Parmi ces différents types de piles à combustible couramment développées, c est la filière dite «à membrane échangeuse de protons» qui a été retenue par presque tous les acteurs de programmes automobiles dans le monde [CERR-21]. Généralement appelée PEMFC (pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell), elle intéresse également les industriels pour des applications stationnaires (jusqu au mégawatt), portables (jusqu'à 1 W) et transport (jusqu'à quelques centaines de kw). Cette technologie retient l attention pour ses avantages. Parmi ceux-ci, on peut citer les quatre atouts suivants : sa membrane solide (peu de fuites dues aux vibrations, durée de vie potentiellement élevée), sa densité massique de puissance pour l heure la plus élevée des technologies la rendant assez compacte et économique, son temps de démarrage court et son fonctionnement à basse température [GOU-21]. C est donc l utilisation d une pile de type PEMFC que nous allons envisager dans la suite de notre étude. Tab.1.1 Différentes technologies de pile à combustible Type de pile PEMFC PAFC (*) AFC (**) MCFC (***) SOFC (****) Température Electrolyte Basse Température Combustible Hydrogène Hydrogène Gamme de puissance Applications Haute Température 6 1 C C 5 25 C 6 8 C C Membrane en Acide phosphorique Potasse liquide Sels fondus polymère solide liquide H 3PO 4 KOH Li 2CO 3/Na 2CO Céramique Hydrogène, gaz Hydrogène, gaz Hydrogène, gaz naturel naturel, naturel, 1 W 5 KW 2 kw 1 MW 1 W 1 kw méthanol 5 kw 1 MW méthanol 1 kw 1 MW Cogénération, Téléphone portable Sous-marin Automobile Spatiale Cogénération Transport «bus» Equipements portable Spatiale Militaire Equipements portable Cogénération Production d électricité décentralisée Cogénération Production d électricité décentralisée Description des piles à membrane échangeuse de protons PEMFC La pile de type PEMFC concentre une part importante de l effort mondial de recherche et développement sur les nouvelles technologies d énergie. Comme déjà évoqué, cette technologie semble quasi mature et prometteuse pour de nombreuses applications, particulièrement celles exigeant une compacité importante, une souplesse de fonctionnement (en terme de dynamique et de rapidité d évolution) ou un temps de mise en service court (démarrage rapide). La traction automobile est un exemple représentatif de ce genre de cahier des charges. Par conséquent, il nous a semblé judicieux, pour valider nos approches, de prendre comme exemple illustratif, l utilisation de ce type de pile pour une application automobile. Dans les PEMFC, une cellule élémentaire est généralement constituée de plaques bipolaires de graphite, conductrices de l électricité, qui sont pressées contre l assemblage membrane-électrodes AME. L assemblage membrane-électrode AME forme le cœur électrochimique du système. L électrolyte utilisé est une membrane polymère à conduction protonique assurée par des fonctions sulfoniques. En outre, afin que les réactions électrochimiques se déroulent avec un rendement intéressant, elles doivent être catalysées en déposant un catalyseur sur les parties de l électrode en contact avec la membrane [ROSE]. À ce jour, le platine s est avéré être le meilleur catalyseur pour les réactions en jeu et est utilisé aux deux électrodes. Les gaz sont fournis, à l anode pour l hydrogène et à la cathode pour l oxygène par des canaux dessinés dans les plaques bipolaires puis des diffuseurs de gaz permettant d homogénéiser les concentrations de réactifs au niveau des électrodes. (*) PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell (**) AFC : Alcalin Fuel Cell (***) MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell (****) SOFC : Solid Oxyd Fuel Cell Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 22

23 De façon générale, le principe de fonctionnement électrochimique d'une cellule unitaire est décrit par une double réaction chimique. A l anode, l hydrogène est oxydé en deux protons H + et deux électrons tandis qu à la cathode l oxygène est réduit en eau au contact des deux protons H + et deux électrons. Les deux demi-réactions d oxydation et de réduction sont donc les suivantes : 2H + H + 2e O H H 2 + O + 2e anode cathode et donnent lieu à la réaction globale exothermique suivante : 2 H O H O + électricité + chaleur (1.2) A partir de l hydrogène et l oxygène, l oxydo-réduction produit de l électricité, de l eau, et de la chaleur faisant de la pile un tri-générateur. Le principe de fonctionnement de la pile peut être illustré par le schéma suivant : (1.1) e - électrons e - Hydrogène Anode Cathode Oxygène H + O 2 O 2 O 2 O 2 H + O 2 O 2 Plaque bipolaire Catalyseur Electrolyte Canal de diffusion Eau Fig.1.2 Schéma de principe d une cellule de pile de type PEMFC Les ions d hydrogène traversent le polymère électrolyte vers la cathode où ils sont combinés avec l oxygène et les électrons (issue de l oxydation d hydrogène) pour former de l eau. Ces réactions s effectuent dans l interface électrolyte / électrode en présence d un catalyseur, formant ainsi des zones actives (Fig.1.3). Conducteur de protons Catalyseur supportésur sur carbone Fibres conductrices d électricité Membrane Electrode (cathode) Fig.1.3 Schéma de la zone active cathodique d une cellule de pile à combustible H 2/O 2 [BOIL-25] Il y a donc deux types de zones actives : - du côté de l anode, l hydrogène est décomposé en protons et électrons ; - du côté de la cathode, les protons viennent se recombiner aux électrons et sont oxydés pour donner de l eau. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 23

24 2.2.5 Description d un système Pile à Combustible complet Dans une cellule élémentaire, la tension nominale est de l ordre de,7 V. Ainsi pour atteindre les niveaux de tension demandés pour des applications à plus large échelle de puissance, plusieurs cellules doivent entre connectées en série pour former un empilement de cellules ou stack, d après le terme anglo-saxon. L abréviation, pour Pile à Combustible, utilisée dans ce manuscrit, désigne ce stack. La technologie limite tout à la fois la surface d une cellule élémentaire donc son courant nominal ainsi que le nombre de cellules pouvant être empilées donc la tension nominale d un stack. Les raisons fondamentales de ces limitations sont l homogénéité de la répartition des fluides dans le stack et la cellule ainsi que les contraintes mécaniques afin d assurer un serrage idoine et une bonne étanchéité sur toute la structure. Pour les applications de forte puissance, les cellules sont associés en parallèle et/ou en série dans le but d obtenir les caractéristiques voulues en tension et courant. D autre part, il est important de noter qu une pile à combustible doit, pour fonctionner, respecter des conditions opératoires strictes. Aussi est-elle associée à des équipements auxiliaires qui assurent son bon fonctionnement, formant ainsi un système complet : le «système pile à combustible». Un schéma fonctionnel simple de ce système est montré à la figure (Fig.1.4). La plupart des systèmes présentent une configuration similaire. Celui-ci peut être divisé en cinq sous systèmes : la pile elle même, le circuit d alimentation en hydrogène, le circuit d alimentation en air, la gestion de l énergie électrique et enfin le sous-système de gestion de l eau, de l humidification et de la température. arrivé d air vers circuit électrique groupe motocompresseur ventilateur évapocondenseur séparateur Charge détendeur H 2 recirculation régulation des température Entrée / Sortie de pile pompe vers circuit électrique séparateur séparateur régulation de la pression sortie d air sortie de H 2 pompe du système d humidification Eau réservoir trop plein hydrogène air, air humide, diphasique eau, air (circuit d humidification) refroidissement / chauffage circuit électrique Fig.1.4 Schéma simplifié du système [LACH-24] Circuit d alimentation en hydrogène Pour une pile fonctionnant à l hydrogène direct, un circuit simple assure l approvisionnement en hydrogène. L hydrogène est généralement stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs à haute pression (3 à 7 bars). Une régulation mécanique de pression par détendeur est utilisée dans ce cas pour amener l hydrogène à une pression convenable (1 à 3 bars). L hydrogène non consommé peut être ensuite recyclé moyennant l utilisation d une pompe de re-circulation ou d un dispositif passif (Venturi) afin d éviter un gaspillage du combustible. L anode peut également fonctionner en régime fermé et dans ce cas une purge occasionnelle contrôlée par une valve doit être effectuée pour éviter l accumulation de l azote ayant diffusé à travers la membrane électrolytique. Dans ce cas le résidu d hydrogène peut être consommé dans un petit bruleur catalytique. Éventuellement, l hydrogène entrant dans le réacteur peut être humidifié avec de l eau dé-ionisée au moyen d un système d humidification à membrane Circuit d alimentation en air Un compresseur sert à approvisionner la cathode de la pile avec de l air moyennant un compresseur avec conditionnement externe de la température et de l humidification. La pression à l entrée de la pile est souvent contrôlée à l aide d une vanne commandée. Typiquement, l air à la sortie sert à alimenter le brûleur catalytique en oxydant. L air à la sortie du compresseur Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 24

25 est conditionné à la température de la pile en utilisant un échangeur de chaleur alimenté avec l eau du circuit de refroidissement. Comme à l anode, l humidification de l air est assurée par un humidificateur à membrane. Des études ont montrées que le rendement de la conversion électrochimique est d'autant plus élevée que les pressions partielles des gaz sont importantes. Ainsi, le fonctionnement sous pression permet d'obtenir des fortes densités de puissance pour la pile. Le groupe moto-compresseur fournit de l'air comprimé avec un débit variable à différents niveaux de pression. Mais son utilisation réduit fortement le rendement global du système, et peut consommer jusqu'à 25% de la puissance électrique délivrée par le stack. Le compresseur est donc un auxiliaire qu'il est très important de bien contrôler : il doit assurer l'alimentation suffisante mais sans excès en air, l'évacuation de l'eau produite sans assécher la membrane, et une bonne réponse dynamique du système. Les compresseurs utilisés dans ce type d applications sont généralement de type volumétrique. De part leur conception, les compresseurs volumétriques se caractérisent par une relation linéaire entre le débit d'air et la vitesse angulaire indépendamment du rapport de pression (sortie /entrée) On distingue deux grandes familles dans les compresseurs volumétriques : Les compresseurs alternatifs : leurs mouvements de compression sont linéaires. Les compresseurs à pistons et à membranes font partie de cette famille. Les compresseurs rotatifs : dans cette catégorie de compresseurs, la diminution du volume fermé se fait par une ou plusieurs parties tournantes (rotors). Les compresseurs à palettes, à lobes, à spirale et à vis font partie de cette catégorie de compresseurs volumétriques. Dans les applications à pile à combustible, ce sont les compresseurs rotatifs à vis qui sont généralement utilisés car ils n ont pas besoin de lubrification Sous-systèmes de gestion d eau et de température Bien que la pile à combustible soit parmi les moyens les plus efficaces de conversion d énergie à partir d un combustible, elle produit tout de même une quantité non négligeable de chaleur à travers la réaction électrochimique. La température de fonctionnement de la pile PEMFC, typiquement entre 6 C et 8 C, étant faible comparée aux systèmes conventionnels (moteur thermique), il est nécessaire de mettre en œuvre un système de refroidissement avancé. Les échangeurs de chaleur utilisés pour cela, effectuent en parallèle différentes autres fonctions notamment le conditionnement de l air à la sortie du compresseur à la température de la pile et la condensation de l eau pour l utiliser dans l humidification de la pile. La gestion de l eau dans un système pile est essentielle pour maintenir une humidification continue de la membrane à travers l humidification des gaz d entrée. Différents systèmes plus ou moins compliqués assurent cette fonctionnalité. L eau nécessaire à l humidification est typiquement récupérée à la sortie de la cathode. Un condenseur à la sortie de la pile peut être utilisé en fonction de la température et de la pression comme montré dans la figure Description plus fine à des fins de commande Relation tension / courant La réaction directe de combustion de l hydrogène par l oxygène correspond, dans les conditions standards (25 C et 1 atm), à une variation d enthalpie H = - 285,8 kj/mol pour l eau formée sous forme liquide et H = - 241,8 kj/ mol pour l eau formée sous forme vapeur. Cette réaction est donc exothermique. Dans le même temps, l entropie S, qui sert à évaluer le niveau de désordre résultant de la dispersion de l énergie et de la matière, a diminué (T. S = -49 kj/mol dans le cas de l eau liquide produite dans les conditions standards). Le principe de Gibbs ( G = H - T S) nous dit donc que seule la différence algébrique entre ces deux termes peut être utilisée pour fournir un travail quelconque (autre que le travail d expansion déjà évalué par H). Dans le cas de cette réaction, nous avons G = -237,2 kj/mol pour l eau formée à l état liquide. Le principe de la réaction électrochimique est de maintenir les deux réactifs (H 2 et O 2) dans deux compartiments étanches (anode et cathode) et de permettre la réalisation de deux demi réactions d oxydoréduction grâce d une part à l électrolyte (membrane échangeuse de protons pour les PEMFC et les SOFC) et d autre part au circuit électrique constitué par la charge. Ceci va permettre de récupérer de travail sous forme électrique, le reste étant forcément libéré sous forme de chaleur (principe de Gibbs). Bien évidemment d autres phénomènes vont s ajouter et les pertes associées vont diminuer la part théorique de ce travail électrique. L équation de Faraday relie l énergie de Gibbs G à la différence de potentiel entre les Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 25

26 deux électrodes de la cellule : G = -nf E, où n est le nombre d électrons échangés par la réaction (ici 2) et F la constante de Faraday ( Coulomb). On voit donc que dans les conditions standards et avec de l eau produite sous forme liquide, la tension théorique E = G / nf = 1,23 V D'après la loi de Nernst, cette différence de potentiel, qu'on appelle le potentiel thermodynamique réversible V Th, dépend à la fois des pressions partielles des réactifs (ici hydrogène, oxygène) et de la température. Il augmente avec les pressions partielles et diminue avec la température : la tension V Th est d environ 1,17 V à basse température (1 C et eau vapeur) et de 1 V à 8 C (et eau vapeur). Dans la réalité, même à l équilibre (courant nul), cette tension V Th n est pas mesurée aux bornes de la cellule car les deux demi-réactions d oxydoréduction sont en équilibre dynamique : l oxydation du dihydrogène en protons H + et en électrons (e - ) est parfaitement équilibrée par la réaction inverse (réduction), de même la réduction du dioxygène (les protons, les électrons, et le dioxygène (pur ou provenant de l air) se rencontrent pour former l eau) est en compétition. Or, pour se produire, ces réactions consomment une énergie d activation : cette irréversibilité se mesure directement sur la différence de potentiel à vide qui est inférieure à V Th et ne dépasse pas 1 Volt sur une pile PEM en conditions opératoires classiques (6 C, 1 atm). Notons que le catalyseur et la température jouent un grand rôle dans la diminution de cette énergie d activation. Une température élevée et un bon catalyseur (Pt platine par exemple) diminuent l énergie d activation utilisée par cet équilibre dynamique (loi d Arrhénius) : la tension à vide s en trouve augmentée. A vide, un autre phénomène engendre cette diminution de la tension fournie par la cellule : il s agit des inévitables passages parasites d hydrogène et d électrons directement à travers la membrane. Ceci amène le concepteur à se fixer une épaisseur minimale de membrane qui aura des effets négatifs lors de l utilisation à densité de courant importante (pertes lors de la migration des protons H + ). Lorsque le courant croît, on obtient une caractéristique statique tension - courant, dite courbe V/I de polarisation, qui montre la tension de sortie en fonction de la densité de courant et dont la forme générale dépend des conditions opératoires de la pile (la température de fonctionnement, la pression, la présence de polluants, la bonne répartition du catalyseur, l état de la membrane et son hydratation, l état de la couche de diffusion amenant les réactifs aux électrodes ). Selon la densité de courant prélevée, la tension réelle fournie par une cellule est plus ou moins inférieure à cette tension idéale (Fig.1.5). Ceci est dû aux diverses irréversibilités se produisant dans ce réacteur électro-chimique. On en dénombre trois principales, chacune d elles réduisant la tension : V V -V -V -V _ Cell = Th Act Ohm Conc (1.3) où V Act représente les pertes d'activation, V Ohm les pertes ohmiques, et V Conc les pertes dues aux phénomènes de concentrations et de transport de masses. Tension théorique Pertes d irrd irréversibilité Pertes d activationd Tension [V] Pertes ohmiques Pertes de concentration Densité de courant [A/m 2 ] Fig.1.5 Caractéristique de polarisation et zones de fonctionnement de la Comme on peut le constater sur la figure 1.5, la caractéristique débute avec une tension à vide à courant nul où coexistent les pertes dues à l équilibre dynamique (pertes d activation) et celles dues aux passages parasites. A faible densité de courant, les pertes d activation contribuent, pour l essentiel, à l évolution descendante de la courbe V-I. Les pertes ohmiques, qui sont directement proportionnelles à la densité de courant, deviennent ensuite prépondérantes dans l évolution de cette tension V(I) et cela sur une large gamme de densité de courant. Les pertes d activation demeurent et, en valeur absolue, sont les plus importantes. Enfin, à densités élevées de courant, les pertes dues au transport du gaz se renforcent et expliquent la dégradation rapide de la tension V PAC_Cell vers une tension nulle (densité de courant limite j lim ) [LARM-23]. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 26

27 - Pertes d activation, dues à la lenteur de la réaction chimique à la surface de l électrode. C est un phénomène très non-linéaire décrit par la loi semi-empirique de Buttler-Volmer dont l évolution avec la densité de courant est particulièrement importante à faible densité de courant et à l équilibre (courant nul); - Pertes ohmiques dues à la résistance que rencontre le flux d ions en traversant l électrolyte et à la résistance que rencontrent les électrons dans les électrodes, les plaques bipolaires et aux interfaces (résistance de contact). La résistance de membrane est souvent la part la plus significative de cette résistance ; - Pertes de transport ou de concentration liées à la diminution de la concentration de réactifs au niveau des électrodes. Lorsque la densité de courant est élevée, cette chute de tension augmente rapidement et son évolution devient prépondérante. La puissance surfacique électrique fournie par une pile est le résultat du produit V _Cell * j _Cell. On voit donc qu elle part d une valeur nulle (densité de courant nulle j = A/m 2 ) pour croître jusqu à un maximum (j pic ) ; elle diminue ensuite rapidement jusqu à j lim (Fig 1.6). La même puissance pouvant être délivrée par deux densités de courant, on voit donc qu en fonctionnement normal, l utilisateur devra se fixer une densité de courant maximale j max inférieure à j pic. Par ailleurs le rendement de la cellule est le rapport de la puissance électrique V _Cell * I _Cell par la puissance libérée par la réaction (- H * I _Cell /2F 1,48 * I _Cell ), dans le cas idéal où tout l hydrogène apporté est consommé dans la cellule pour contribuer au travail électrique. En première approximation, le rendement d une cellule est donc l image de sa tension : η _cell V _Cell / 1,48 C ourbe de polarisation et puissance surfacique (PEMFC 7 C ) 1 v (V) p S (W/cm2) d e ns ité d e co urant j (m A /cm 2 ) Fig.1.6 Exemple de caractéristiques d une Ballard [LARM-23]. La pile à combustible comporte plusieurs cellules élémentaires placées en série, De manière classique, en faisant l hypothèse que toutes les cellules ont un comportement électrique identique, la tension totale de la pile peut être calculée en multipliant la tension d'une cellule par le nombre total de cellules composant la pile : V = N V (1.4) S _ Cell Le rendement du stack est également le rapport entre la puissance électrique fournie (N S *V _Cell * I _Cell ) car il y a N S cellules en série - et l'énergie potentielle de l hydrogène consommé pour produire cette électricité (- H * N S *I _Cell /2F) - car chacune des N S cellules consomme la même quantité d hydrogène définie par le courant de sortie. Il s exprime donc dans l image de la tension V PAC qui est liée directement au point de fonctionnement (I et conditions opératoires). D où l intérêt de s intéresser à la relation liant V à I tant en régime statique qu en comportement dynamique (*) Modélisation de la pile à combustible Les modèles jouent un rôle très important dans le développement de la pile à combustible, puisqu'ils facilitent la bonne compréhension des paramètres influençant les performances de la pile et du système. Cette connaissance des (*) Le rendement du système complet sera affecté par la consommation des auxiliaires : ceux-ci prélèvent une partie de la puissance électrique brute pour ne laisser que la puissance nette à l application. Comme ces auxiliaires consomment même à puissance nette nulle, le rendement système sera nulle à densité de courant utile nul et présentera un maximum aux densités de courant moyennes Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 27

28 phénomènes et des interactions en jeu doit amener une amélioration de la conception du système pile à combustible : il peut s agir de progrès dans un constituant comme dans la gestion de sous-système ou du système complet. On voit donc que les objectifs poursuivis sont variés et la finesse de la modélisation associée doit être adaptée à cette spécification. Par conséquent, il est important de prendre le temps d'expliciter les fonctions clés que doit pouvoir décrire le modèle à établir. Dans ce travail, nous nous intéressons à l utilisation de la dans des applications à forte fluctuation de puissance, comme peuvent l être les applications automobiles, entraînant ainsi de fortes sollicitations dynamiques du système. Aussi, le contrôle et la gestion d énergie du système d alimentation électrique, sont au cœur de nos préoccupations. Par conséquent, une connaissance même simplifiée des phénomènes mis en jeu en fonctionnement dynamique de la charge nous est indispensable. En effet, les inconvénients principaux des piles PEM viennent de leurs comportements irréguliers en raison d une grande sensibilité de leurs performances à leurs conditions opératoires [YOUS-28, CORB-29, UZUN-27, WAHD-28a], d une réponse lente aux régimes dynamiques due à la nécessité d amener les réactifs au fur et à mesure de leur consommation [CORB-29, HARE-27, WAHD-28b]. Précisons que, la dynamique lente du système est principalement limitée par le temps de réaction du compresseur d air qui cause le phénomène du déficit temporel en réactifs (sous alimentation) (phénomène nommé en anglais : temporal oxidant starvation) [ANAB-26, CAND-28, WAHD- 28a, TANI-28, TURP-28, GERA-21]. Cette non-conformité a des implications significatives sur la performance de la pile à savoir une baisse d'efficacité du système et à une diminution de durée de vie. Aussi, le comportement dynamique d'une pile à combustible est une partie intégrante de la stabilité complète et de la performance du système d alimentation. Dans le cas de l application «traction électrique», cela peut affecter les performances dynamiques du véhicule lors de fortes accélérations et contribuer à un vieillissement prématuré des associations membrane-électrode du stack. Par conséquent, un modèle permettant de prédire la réponse en tension pour une demande de puissance de la pile à combustible s avère une nécessité incontestable. Ce modèle doit pouvoir représenter la performance de la pile en régime permanent comme en régime dynamique en vue de son utilisation dans le calcul et le réglage de la commande du système électrique complet ainsi que dans l élaboration d une stratégie de gestion d énergie et de puissance la plus appropriée. A l aide de ce modèle, il s agira tout à la fois de garantir une utilisation idoine et performante du système, d assurer la fourniture de la puissance exigée par la charge et d obtenir un bon rendement de la conversion d hydrogène en énergie électrique. Différentes approches de modélisation de pile ont d ores et déjà été adoptées pour décrire le comportement d une pile à combustible. Ces modèles varient en fonction de la complexité des phénomènes pris en compte, de leur éventuel couplage physique (électrochimie, thermique, magnétisme ) ainsi que des échelles de temps sur lesquelles ils seront étudiés. La figure 1.7 récapitule les différentes échelles de temps ainsi que les phénomènes physiques associés. Fig.1.7 Echelles de temps des phénomènes physiques intervenant dans un système [LUFE-24]. Ces approches peuvent être répertoriées en plusieurs classes, pour lesquelles le compromis à adopter est différent. On distingue quatre grandes classes de modèles [TALJ-29], [FONT-25]: - les modèles mécanistes (1-D, 2-D) sont utilisés pour l' étude au niveau microscopique des phénomènes physicochimiques du cœur de pile (hydratation de la membrane, noyage...) ou la conception de la pile à combustible (canaux de circulation, contraintes mécaniques...), - les modèles basés sur l'analogie énergétique sont utilisés pour décrire les conséquences des phénomènes physicochimiques d'un point de vue macroscopique et par suite mieux comprendre le système, - les modèles empiriques sont utilisés pour d écrire le comportement très complexe de la pile à combustible concernant les conditions de fonctionnement (température, pression, gestion d'eau, gaz...), Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 28

29 - les modèles analytiques sont utilisés pour développer le système de contrôle de systèmes pile à combustible. L'approche de modélisation graphique est utilisée pour la synthèse des lois de commande du système pile à combustible à partir des conditions fluidiques et électriques (régimes statiques et dynamiques). Dans le cadre de cette étude, un modèle dynamique simplifié pour des systèmes pile PEM est développé. Il cherche à décrire la caractéristique instantanée «tension courant» du stack en mettant en exergue les phénomènes physiques principaux que sollicitent les transitoires de puissance utile. Ce modèle a été validé par simulation sur un large domaine de fonctionnement et différents régimes de charge. Il a été également validé expérimentalement au laboratoire au travers d un système pile conçu et fabriqué par la société canadienne BALLARD (Nexa Ballard). Cet électro-générateur comporte un stack de 46 cellules, présente une puissance utile de 1,2 kw, un courant net maximum de 45 A (pour une tension d environ 26 V). Simulation et expérimentation ont permis de conforter notre approche. Il reproduit le régime statique et permet de comprendre les variables clefs à l origine du phénomène d hystérésis observé lors d évolutions cycliques de la puissance de charge Comportement statique Ce modèle consiste à décrire les réactions chimiques présentes dans une cellule de pile à combustible en utilisant la combinaison de lois élémentaires et de modèles semi-empiriques. La tension d une cellule élémentaire, V _Cell est égale au potentiel thermodynamique diminué par les différentes pertes décrites par les chutes de tension V Act, V Ohm et V Conc (éq 1.3). Le potentiel thermodynamique réversible de la réaction est donné par la loi de Nernst qui montre sa dépendance aux pressions partielles d hydrogène et d oxygène dans le compartiment anodique et cathodique, P H2 et P O2, ainsi qu à la température de la réaction, T. Selon cette loi, V Th s exprime comme suit : où V V Th = V Th RT + 2F ( T ) 2F ph p 2 ln ph 2O 1/ 2 O2 G f Th = (1.6) VTh est défini comme le potentiel électrochimique de référence (conditions standards de température et de pression). G f est la variation de l'énergie libre de Gibbs due à la réaction globale dans les conditions standards. (1.5) En utilisant les valeurs thermodynamiques des variations d entropie S et d enthalpie H à l'état standard, la tension V Th peut s'exprimer par [THAM-21]. ( T 298,15 ) RT + 2F p ln p 4 PAC H 2 V Th = 1,229 8,461 1/ 2 (1.7) O2 Les coefficients présents dans cette équation sont relatifs à la réaction électrochimique et sont donc maintenus constants pour tout type de pile H 2/ 2. Le modèle étudié est celui présenté dans [THAM-2, THAM-23, PUKR-24, VILE-21] où la tension en charge dépend essentiellement de la densité du courant et de la pression partielle des réactifs. En effet : V Cell VTh -VAN -VCA -VM - R i _ = I (1.8) Où V AN et V CA représentent respectivement les chutes de tension anodiques et cathodiques et V M représente les pertes ohmiques. R I représente les résistances aux interfaces. Ce dernier terme étant relativement petit, il sera négligé dans l'étude suivante. Le développement mathématique des différentes pertes est présenté dans l annexe A. De là, la tension de pile à combustible peut être exprimée comme suit, Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 29

30 V _ Cell = V CA Th RT r sinh α F RT r sinh α F AN i i 2 1 i i 1 i i 2 1 i i CA, CA, L AN, AN, L Lm i. σ m i. R I (1.9) Avec : R : constante universelle des gaz parfaits, i : densité de courant de la, i AN, : densité de courant d échange d anode, i AN,L : densité de courant limite d anode, i CA, : densité de courant d échange de la cathode, i CA,L : densité de courant limite de la cathode, α CA : coefficient d efficacité de transfert au niveau de la réaction de la cathode, α AN : coefficient d efficacité de transfert au niveau de la réaction de l anode, L m : épaisseur de la membrane, σ m : conductivité de la membrane. Cette loi de tension (éq 1.9) permet de décrire la courbe statique de polarisation tension/courant d une cellule PEM. En effet, avec un jeu approprié de paramètres (Tab.1.2) extraits des publications suivantes [THAM-2, SAHR-29, TALJ- 21], nous avons simulé sous l environnement MATLAB, la caractéristique de la pile Nexa BALLARD. La figure 1.8 illustre les deux caractéristiques : expérimentale et le modèle simulé. On peut remarquer que notre modèle reproduit parfaitement le comportement statique de la (Nexa BALLARD). Tab.1.2 Paramètres du modèle Nom de paramètre Valeur Nom de paramètre Valeur volume cathode v CA,5 m 3 surface active A 76 cm 2 temps de réponse du compresseur,5 s volume de tuyau d amené de l air V Sm,2 m 3 fréquence f,1 Hz nombres de cellule N s 46 surface d'ouverture de la sortie A T 5 e-5 m 2 épaisseur de la membrane Lm 1,25 e-4 m température T 298,15 K coefficient d efficacité α AN / α CA,5 / 1 Coefficient de décharge de l ouverture de la sortie C D La pression de saturation de la vapeur P SAT e-4 la proportion des capacités de chaleur spécifiques de l'air γ 5.5e3 Pa Pression atmosphérique P ATM e3 Pa 1.4 Précisons que ce modèle a été établi avec quelques hypothèses physiques. En particulier, il a été considéré que : la température de la est constante, les pressions partielles sont constantes et la densité de courant est également constante. Aussi la différence de potentiel dépend t-elle des pressions partielles de réactifs à la cathode et à l'anode. Ainsi, lors des modes transitoires dynamiques, cette tension sera soumise à l'influence de la dynamique de ces pressions partielles. Plus précisément, ces variables sont principalement affectées par les volumes de l'anode et de la cathode ainsi que la dynamique du compresseur d air. Le paragraphe suivant (modèle dynamique) démontrera le rôle important de ces facteurs dans la présence de l effet d hystérèse qui apparaît de façon plus ou moins marquée sur la caractéristique tension courant lors des fonctionnements cycliques de la charge électrique. V [V] Simul Exp i [A] Fig.1.8 Courbe de polarisation de la PEMFC Nexa BALLARD Comportement dynamique Nous nous intéressons dans cette partie au comportement dynamique de la autour d un point de polarisation en fonction du domaine fréquentiel de la charge électrique. En effet, nous avons souligné dans la partie précédente Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 3

31 l importance des pressions partielles dans le comportement dynamique. Par conséquent, il est crucial de les calculer précisément en utilisant le principe de conservation de masse. En considérant la loi des gaz parfaits et la conservation des masses d'oxygène, d hydrogène et d'azote, on peut déduire les équations différentielles suivantes : dp O2 dt dp N 2 dt dp H 2 dt RT ( W -W -W ) = (1.1) O2, in O2, out O2, rct M O v 2 CA RT ( W -W ) = (1.11) N 2,in N 2,out M N v 2 CA RT ( W -W -W ) = (1.12) H 2,in H 2,rct H 2,out M H v 2 AN où v CA, v AN sont respectivement le volume de la cathode et celui de l anode, où W O2in,H2in,N2in W O2out,H2out,N2out W O2rct,H2rct sont les débits entrant, sortant, réagissant des réactifs, et M O2, M H2 et M N2 sont les masses molaires des réactifs. Dans ces conditions, les débits entrants des réactifs peuvent s exprimer, x = (1.13) O2, atm W O in W 2, CA, in 1+ ω ca, in 1 xo 2, atm W N, in = W 2 CA, in 1+ ω ca, in (1.14) 1 = (1.15) W H in W 2, AN, in 1+ ωan, in Les débits d'oxygène et d hydrogène ayant réagi dépendent quant à eux du courant absorbé à la pile par la charge ainsi que du nombre de cellules du stack. Ces deux débits s'expriment par : W O2, rct = (1.16) M O2 NI 4 F NI WH M 2, rct = (1.17) H 2 2 F De plus, suite à la consommation des réactifs, les différents débits massiques sortants deviennent dépendant des pressions partielles comme suit : M p = (1.18) O2 O2 W O out W 2, CA, out M O po + M N pn + M v p sat M p = (1.19) N 2 N 2 W N out W 2, CA, out M O po + M N pn + M v p sat M p = (1.2) H 2 H 2 W H out W 2, AN, out M H p H + M v p 2 2 sat La différence de pression entre les tuyaux d'amenée d'air et la cathode étant relativement faible, on suppose que le flux entrant à la cathode est laminaire et obéit à la relation linéaire : W CA, in = kca, in (1.21) ( p p ) SM CA où k CA_in est la constante de débit de l'orifice des tuyaux d'air, p SM est la pression d air dans le collecteur de provision et p CA est la pression d air totale à l'intérieur de la cathode. D'autre part, la variation de pression d'air dans les tuyaux qui relient le Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 31

32 compresseur à la cathode de la pile à combustible, dépend du débit d'air W CP provenant du compresseur, du débit d'air sortant du tuyau dans la cathode, et de la température du fluide supposée constante tout au long de ce tuyau d'air. Elle est décrite par la dynamique suivante : dp dt SM RT ( W W ) CP = (1.22) CP CA, in M a, atmvsm et la pression de la cathode p CA, supposée la même tout au long du compartiment cathodique, s'exprime comme suit : p + p CA = po + p 2 N2 vap (1.23) On considère que l air est saturé en vapeur d eau à 1%, et p vap égal à p sat : pression de saturation de la vapeur, qui dépend de la température du gaz. Enfin, le débit d'air à la sortie de la cathode se calcule par l'équation suivante : W ( p p ) CA out = k (1.24), CA, out CA atm Le système d'apport d'air, alimentant la pile à combustible avec l'oxygène, est un système mécanique composé d'un moteur entraînant un compresseur. Par conséquent, le débit d air du compresseur Wcp est fourni à la pile à combustible avec un retard, selon la dynamique du système mécanique du moto-compresseur utilisé. Ce sera un facteur majeur dans l apparition de phénomène d'hystérésis. Le moto-compresseur est un sous-système asservi en débit (ou en vitesse) et par là même, son comportement est fortement linéarisé. Aussi, comme nous nous intéressons uniquement au comportement global du moto-compresseur en termes de temps de réponse, il nous a paru suffisant de le modéliser par un filtre passe-bas du premier ordre caractérisé par une constante de temps. Cette hypothèse a été justifiée dans [TALJ-21], avec un temps de réponse de 1,5 s. Cette valeur correspond globalement à la limite technique du compresseur de la pile dont nous disposons (Nexa BALLARD) : nous avons en effet mesuré un temps de réponse d environ 1,3 s [BALL-23]. Le comportement dynamique de la est obtenu en connectant le système avec une charge active de nature dynamique et programmée en «source de courant». Lors des variations de la consigne de courant autour d un point de polarisation, le point de fonctionnement décrit un cycle d hystérésis dans le plan V-I. Selon le type de sollicitation, ce cycle est plus ou moins marqué et est parcouru dans le sens horaire ou le sens trigonométrique. Plusieurs études ont montré que la forme de l effet d hystérésis dépend, à caractéristique de système donné, clairement de la fréquence d excitation [FONT- 25, TURP-28, RABI-28]. Pour tester la validité de notre approche, des simulations ont été effectuées sous l environnement MATLAB-Simulink pour comparer la réponse du système (Nexa BALLARD) et celle du modèle utilisé. On se focalisera dans notre analyse sur les paramètres influençant cet effet d'hystérésis, à savoir : la fréquence de la demande, la réponse du compresseur, les volumes des compartiments cathodique et anodique et les zones de prédominance des pertes (point de polarisation). Le principe de ces tests consiste à réaliser des excitations autour d une plage de fonctionnement en faisant varier instantanément le courant d une intensité I1 vers une intensité I2 avec un balayage en courant sinusoïdal et d enregistrer la réponse en tension correspondante. La figure 1.9 représente la réponse dynamique du modèle, pour différentes fréquences d excitation de la charge utilisant une variation complète du courant entre et I Max. Nous pouvons constater l apparition du phénomène d hystérésis, même pour les fréquences relativement basses du courant (,1 Hz< f <,5 Hz). Sur ces essais, l hystérésis évolue en sens inverse des aiguilles d'une montre. En effet, l'augmentation de courant provoque instantanément des chutes de tension ainsi qu une augmentation du flux d'air pour apporter l oxygène manquant (Fig.1.1). Alors que le temps de rééquilibrage dépend de la réponse du moto-compresseur et de la quantité de l'air dans la cathode (impact du volume de cathode). De plus, la largeur d'hystérésis augmente avec la fréquence jusqu'à une certaine limite. Pour cette fréquence, il devient impossible pour le système d air de suivre la demande de la charge, à cause de sa dynamique trop lente (Fig.1.1). A cette valeur de fréquence de sollicitation par la charge, un effet "8" apparaît sur la caractéristique V-I (Fig.1.9c) : le côté supérieur du "8" est parcouru dans le sens des aiguilles d'une montre, alors que le côté inférieur est parcouru en sens inverse. Avec l augmentation de la fréquence, la partie supérieure devient de plus en plus dominante, et le phénomène d hystérésis finit par changer totalement de sens. Ce comportement n'est pas acceptable ; il montre que le système ne peut pas satisfaire la charge à cause notamment du retard causé par le compresseur (Fig.1.1) en supposant bien sur que le système est bien hydraté. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 32

33 Fig.1.9 Phénomène d hystérésis pour différentes fréquences d excitations Débit d'air du compresseur [kg/s] t [s] t [s] Fig.1.1 Temps de réponse du compresseur et la pression partielle d air La figure 1.11 présente l impact de la dynamique d air sur la réponse électrique de la pile d une autre manière. La réponse électrique V (t) et I (t) est toujours tracée sur le graphe V-I mais pour différentes constantes de temps du compresseur et en utilisant la même fréquence pour le courant de la charge. Cette dernière est fixée à.1 Hz et les paramètres (Volume, ) définissant le stack demeurent identiques (cf Tab.1.1). On peut constater que plus le compresseur est lent, plus la largeur de l hystérésis est importante et plus la chute de tension augmente, notamment à haute densité de courant. De plus, la figure 1.1 montre que la réponse du compresseur devient inadéquate par rapport à la demande et ceci à cause du manque d oxydant à la cathode. t [s] Fig.1.11 Phénomène d hystérésis pour différentes constantes de temps de compresseur Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 33

34 On a pu voir sur les résultats précédents que la largeur de l'hystérésis dépend de la zone de densité de courant et de son amplitude. En effet, nous avons effectué des simulations sur chaque zone pour une fréquence de.1 Hz (Fig.1.12). Dans la zone où les pertes d'activation sont prédominantes, l'effet "8" apparaît, alors que l'hystérèse est mince, parce que le volume d'air stocké dans la cathode est important par rapport au niveau de la demande en courant. La faible densité de courant correspond à une faible demande en débit de réactifs : le volume cathodique est suffisant pour fournir cette demande transitoire sans fluctuation trop significative de la pression partielle en oxygène dans la chambre cathodique. Dans ces conditions opératoires, l'air disponible est suffisant pour empêcher le manque d oxygène (oxygen starvation). Pour une densité de courant plus élevée, un effet d'hystérésis significatif apparaît dans la zone de prédominance ohmique. Or, les pertes ohmiques ne dépendent pas des pressions partielles. Donc, l'énergie libre de Gibbs et les pertes d'activation influencent la totalité du phénomène dans ce domaine et sont fortement affectées par les concentrations de réactifs. On peut constater sur la figure 1.12 qu entre deux cycles voisins, il existe un décalage important. En effet, les limites de la densité de courant entre eux, sont représentées à gauche par la limite supérieure et à droite par la limite inférieure. D une part, la limite supérieure du cycle gauche est atteinte à l instant où le courant augmente. Ainsi, la pile à combustible est sousalimentée en raison du retard de l'apport d'air dû au temps de réaction du compresseur. Il en découle que la tension obtenue est inférieure à la tension en régime permanent pour ce point de fonctionnement. Et d'autre part, la limite inférieure du cycle droite est atteinte quand le courant diminue. Par conséquent, à cet instant, la pile à combustible est suralimentée (stœchiométrie élevée), pour la même raison du retard dans l adaptation de la fourniture en air à la demande en courant. Aussi, la tension obtenue est-elle plus importante que celle qu on obtiendrait en régime statique. Fig.1.12 Phénomène d hystérésis pour chaque zone de prédominance pour une fréquence de f =.1 Hz Dans le but de valider nos approches de modélisation, nous avons effectué des tests sur un générateur de la société BALLARD. Le montage de la figure 1.13 permet d obtenir la mesure expérimentale du comportement dynamique autour de la plage de fonctionnement choisie (courant imposé). Outre naturellement la pile à combustible à caractériser, il comporte : - Une charge active avec des performances dynamiques élevées (bande passante élevée) permettant d imposer le courant à la (Höcherl & Hackl, modèle ZS186); - Une mesure du courant et de la tension délivrée par la ; - Un système d acquisition et de contrôle. V PAC i PAC Pile à Combustible Charge Active i CH i t V i Fig.1.13 Montage expérimental pour le balayage en courant sinusoïdal Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 34

35 En premier lieu, les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de simulation du modèle. Comme montré à la figure 1.14, le modèle utilisé estime correctement la caractéristique et prévoit parfaitement le cycle d'hystérésis qui apparaît f =.5 Hz Experimental Simulation V [V] V FC I FC 4 i [A] Fig.1.14 Comparaison de résultats (expérimental & simulation) à une température de T = 45 C, pour un courant sinusoïdal de grande amplitude et à une fréquence f =.5 Hz. Dans un second temps, en maintenant une température de stack quasi constante à 45 C, des essais sont réalisés à différentes fréquences dans une gamme de,1 Hz à,4 Hz (Fig.1.15). À basse fréquence, le cycle d'hystérèse est épais et en sens inverse des aiguilles d'une montre. Alors que, en augmentant la fréquence, le cycle devient plus mince avec l apparition d un effet "8" tout d'abord à basse densité de courant, puis à haute densité de courant. Finalement, dans la partie élevée de la plage de fréquences explorées, cet effet "8" disparaît complètement et l'effet d'hystérèse devient plus épais dans le sens des aiguilles d'une montre V V FC [V] [V] f=.1hz I [A] FC V FC [V] "8" effet effect " 8 " f=.5hz I [A] FC 45 4 f=.2hz 45 4 f=.4hz V FC [V] V [V] "8" effet effect " 8 " I FC i [A] V FC [V] I FC i [A] Fig.1.15 Phénomène d hystérésis pour différentes fréquences d excitation et à T = 45 C, Finalement, un essai effectué en zone ohmique (zone de haute efficacité des systèmes ) pour deux niveaux de fréquence (Fig.1.16). Cette expérience démontre qu'à haute fréquence (vis-à-vis de la bande passante du compresseur) la tension fournie par la est globalement inférieure à celle d une réponse quasi-statique. C'est essentiellement en raison du manque de réactifs dans le stack. Cela prouve qu'une structure hybride est appropriée pour améliorer tant l efficacité du générateur PEMFC, que la durée de vie du stack [CORB-29, HARE-27, GOU-21]. Dans ce paragraphe, nous avons pu constater la concordance entre les résultats de simulation et ceux d expérimentation, validant ainsi notre modèle dynamique. Les conditions de température et d humidité étant supposées parfaitement régulées, on constate que la réponse électrique du stack est fortement conditionnée par l historique de la puissance appelée par la charge. Pour obtenir un bon rendement de conversion et la certitude que la cathode est correctement alimentée, il faut garantir que la puissance exigée par la charge soit limitée en bande passante. Dans notre cas, il s agit de ne pas dépasser une fréquence limite de l ordre du dixième de Hertz. Dans la suite du mémoire, nous adopterons souvent une limite à 5 mhz. Bien entendu, cette limite dépend du système, en particulier du temps de réponse du compresseur d air et du volume cathodique (canaux amenant l air, et diffuseur), ce qui reste valable dans la gamme de fréquence considérée. Ces deux paramètres peuvent difficilement être modifiés car une plus grande dynamique du compresseur signifie une puissance plus importante qui a un impact négatif vis-à-vis de son volume, de son coût et de sa consommation. Par ailleurs, une réserve Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 35

36 d air plus importante signifie une augmentation du volume du stack, une augmentation des pertes de charge et des pertes ohmiques au sein de celui-ci V FC [V] ] f = 1 Hz f =.1 Hz i [A] I FC [A] Fig.1.16 Réponse expérimentale de la autour de la zone ohmique pour différentes fréquences, à une température de T = 45 C Il est toutefois important de noter que d autres études ont montrées que l humidité joue également un rôle important dans l apparition de l hystérésis [TURP-28]. Elles sont toutefois réalisées dans des conditions de laboratoire avec des flux de gaz maintenus constants alors que le courant varie. Par exemple plusieurs travaux prouvent, par une mesure de résistance de membrane par spectroscopie HF, que cette impédance à basse densité de courant est plus élevée quand le courant augmente que quand il diminue. Par conséquent, la variation de la teneur en eau de la membrane est un phénomène d explication de l effet d hystérésis [LECA-29]. En s appuyant sur un modèle à une dimension de la cellule, d autres études analysent ce phénomène d hystérésis basse fréquence (environ 5 mhz) ; elles l imputent au fait que l humidité relative varie au cours d un cycle. En effet, la membrane s assèche aux faibles densités de courant car les flux des gaz restent nominaux (conditions expérimentales évoquées ci-dessus) [GERT- 29, SHAH-27, MIKK-21]. Yousfi-Steiner et al. exploitent cette remarque en réalisant une courbe de polarisation ; ils comparent les relevés à courant croissant et décroissant pour discerner si la pile s assèche ou s engorge en eau [YOUS-28]. Enfin, Turpin et al. rapportent des hystérésis sur des courbe V-I réalisées à basse fréquence (f 1 mhz) et à fréquence plus élevée (f 1 Hz) ; ils l attribuent à des phénomènes de diffusion dans les couches de diffusion et d activation [FONT-21]. En conclusion, cette première partie du travail nous a permis d identifier les paramètres clés qui limitent le bon fonctionnement électrique du système PEMFC (dynamique du compresseur et volume de la cathode). De plus, le modèle mis en œuvre peut être utilisé pour la commande, l optimisation et la gestion d énergie du groupe électrogène. En partant de ce constat, notre étude se fixe comme perspective de déterminer la meilleure architecture d hybridation pour satisfaire les spécifications d une application Contraintes spécifiques de la vue dans une logique de conception comme source principale De l approche qualitative réalisée précédemment, on cerne rapidement les contraintes typiques d une, pour son utilisation en tant que source principale dans un système d alimentation. Les piles à combustible sont conçues sur le principe de l électrolyse inverse de l eau mais leur conception technologique fait que ce sont des sources unidirectionnelles en puissance (les couches actives d un cœur de pile sont oxydées à haut potentiel). La première contrainte est donc liée à la garantie, à tout instant, du signe de la puissance convertie. La cellule est un générateur électrique très basse tension ayant une densité de courant nominale associée à une tension de l ordre,6 V [PADD-29, LARM-23]. Cela signifie qu il faut réaliser des empilements en série de cellules dont le nombre est conditionné par la tension souhaitée pour l application. De même nous avons vu apparaître une densité de courant maximale d utilisation, ce qui signifie que le courant nominal exigé par la charge conditionne la surface des cellules élémentaires. De plus, le choix de la structure du stack (nombre de cellules et surface) est un problème délicat soumis à de nombreuses limitations techniques. A partir d un cahier des charges et avec un choix d architecture de conversion ainsi que des critères de gestion, il apparait un compromis pour satisfaire à la fois les spécifications de la demande et les limites techniques de la [KORD-1996, EHSA-25, GOU-21]. Par ailleurs, un stack est un générateur de puissance Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 36

37 présentant une forte dynamique de tension (V max /V min ) pouvant aller jusqu à un facteur deux entre tension à vide et tension nominale selon les conditions opératoires (température de fonctionnement, humidification, vieillissement, ). Cela signifie que sa sortie électrique doit éventuellement être pensée avec un régulateur électronique de tension ajoutant un degré de liberté de conception. La deuxième contrainte est donc liée à un choix borné de tensions et de courants nominaux. La troisième contrainte que nous avons soulevée au travers de notre modèle utilisateur du système pile est la faible dynamique électrique que peut tolérer le système. Cette contrainte s avère cruciale tant du point de vue du choix de l architecture globale du système d alimentation et la gestion d énergie et de puissance qui lui est associée. La plus ou moins bonne prise en compte de cette contrainte a des répercussions sur d autres facteurs fondamentaux comme : la durée de vie, la continuité de service, la fiabilité, l efficacité énergétique etc. En effet, la valeur de ces indicateurs de performance dépend essentiellement de la dynamique à laquelle on sollicite la et le niveau de la demande. En résumé, pour des applications à faible régime de sollicitation telles que les applications stationnaires (cogénération pilotée par la demande thermique par exemple) ou les alimentations de secours, les systèmes sont parfaitement adaptés et ne voient pas leurs performances compromises par l utilisation. A titre d exemple, les relais téléphoniques présentent une consommation électrique très peu liée au taux d occupation du retransmetteur et les essais ont montrés des durées de vie supérieures aux pronostics et un taux de défaillance inférieur aux prévisions [BOBL-29]. A contrario, les applications présentant des régimes dynamiques sévères, forte fluctuation de la demande et/ou transitoires rapides et fréquents, dégradent fortement les facteurs déjà mentionnés. La traction automobile est un exemple emblématique de ce genre de problématique. Dans ce genre d applications, il convient donc d adjoindre au système une source d assistance, formant ainsi un système hybride. Le but de cette source auxiliaire est de soulager la en lui évitant de répondre aux transitoires rapides. Les gains espérés sont donc en premier lieu une économie de combustible et une durée de vie importante pour le système pile. Aussi, cette source d assistance doit elle satisfaire quelques critères, à savoir : une densité de puissance élevée, un bon rendement sur un cycle pour ne pas compromettre les performances du système, un coût, un poids et un volume réduits afin de ne pas augmenter la taille et le prix du système complet, et également nécessiter une faible maintenance pour des questions de coût, de continuité de service et de fiabilité. Dans le cas particulier d une charge réversible en puissance comme l est l application traction automobile (freinage et descente), cette source auxiliaire doit présenter l intérêt de permettre la récupération l énergie cinétique. En pratique, la n étant pas une source de puissance réversible, le système d assistance améliore l efficacité énergétique sur cycle s il permet le stockage de l énergie restituée (énergie de freinage dans le cas d un véhicule). 2.4 Principe du système hybride à pile à combustible De façon relativement générale, une chaîne hybride à pile à combustible se compose d une source primaire qui est le système et un système d assistance constitué d un ou deux éléments de stockage, voire d avantage (Fig.1.17). L introduction d un organe de stockage peut être réalisée par un nombre important d architectures différentes. En conséquence, le comportement global du système dépend à la fois du positionnement et du choix des organes de stockage au sein du réseau électrique. Pile à Combustible Étage d adaptation Charge Electrique dispositif n 1 Organes de stockage dispositif n 2 dispositif n N Fig.1.17 Principe général du système hybride à Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 37

38 Ce couplage de sources a comme objectif d utiliser les avantages respectifs de chacune de sources tout on minimisant l impact de leurs inconvénients. Il va permettre donc, la minimisation de consommation tout en préservant l intégrité de chaque source, une bonne performance du système global (efficacité énergétique, durée de vie, continuité de service, durée de vie ) et une diminution de la taille et du prix de la source primaire, voire du système complet. Dans la section suivante, nous nous intéressons aux différentes technologies de stockage susceptibles d être utilisées dans notre système. 2.5 Eléments technologiques de stockage d énergie Différents types de dispositif de stockage La littérature sur le sujet des sources stockage pour de telles applications est particulièrement riche [COUF-25, PLAS- 25, BLAN-29]. De même, de nombreuses idées voient le jour, sans qu'il soit toutefois aisé d'en estimer les réelles performances. Nous pouvons distinguer trois formes du stockage intermédiaire : mécanique, électrique et chimique. Pour l heure, le stockage mécanique tel que l air comprimé et le volant d inertie n est pas reconnu comme un moyen de stockage viable, en particulier pour une application embarquée de type véhicule hybride. En effet, l air comprimé est considéré comme étant lent pour être efficace. Alors que le volant d inertie, est reconnu dangereux (problème mécanique) en cas de défaillance ou d accident. Dans cette étude, nous nous cantonnerons aux sources les plus classiques, dont la technologie est mature et connaît des développements importants, à savoir : Batteries (stockage sous forme chimique) et supercondensateurs (stockage sous forme électrique). Par la suite, nous donnons, un aperçu général du large panorama aujourd'hui offert par ces stockages, à travers un court état de l'art accompagné d'une analyse qui met en exergue quelques propriétés qualitatives qui nous paraissent intéressantes au regard du système hybride envisagé. Nous tenterons donc d'identifier le candidat apportant la réponse la plus adaptée à nos besoins Supercondensateurs Les supercondensateurs (en littérature anglo-saxonne supercapacitors, ultracapacitors et double layer capacitors) ont initialement été développés par des entreprises japonaises vers la fin des années 7, pour des applications d électronique de signal. L idée fut ensuite reprise aux Etats-Unis et en Europe à partir du milieu des années 8, pour des applications de l électronique de puissance, dans le cadre de recherches militaires, et l on assiste depuis quelques années à une orientation importante vers les applications civiles [BELH-21]. Le terme «supercondensateur» (abréviation s, pour supercondensateurs) met en exergue la mise à disposition d'une source de puissance électrique performante en termes de dynamique (phénomène électrostatique) capable d'accumuler une quantité d'énergie non négligeable [BARR-22]. En pratique, cela revient à concevoir un stockage de type capacitif présentant une capacité de stockage élevée. Dans un condensateur, si on veut accroitre la capacité de stockage, il faut soit augmenter la permittivité relative soit accroître le rapport S/d. C s ε ε r d = (1.25) ou S est la surface des électrodes et d la distance entre les électrodes. Le principe des supercondensateurs est lié à la valeur élevée du rapport S/d. Ainsi, les charges se trouvent localisées sur des surfaces très importantes (S élevé) grâce à des électrodes poreuses et à des distances très faibles (d faible). Il y a création de 2 zones de charge d espace (principe de double couche électrochimique) (Fig.1.18) où apparaissent les ions de l électrolyte et les charges opposées au sein de l électrode. Le principe de base des supercondensateurs repose donc, sur les propriétés capacitives de l interface entre conducteur électronique solide et conducteur ionique liquide, propriété découverte par le physicien Hermann Von Helmholtz en 1853 [BELH-21]. Le stockage d énergie s effectue par la distribution des ions de l électrolyte au voisinage de la surface de chaque électrode sous influence électrostatique de la tension appliquée. Les électrodes sont à base de carbone activé qui permet encore d'augmenter le terme capacitif et l électrolyte doit être un conducteur ionique, organique ou aqueux comme par exemple acide sulfurique. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 38

39 Séparateur Collecteur Collecteur Electrode Electrode Collecteur Electrode Séparateur Electrode Collecteur Fig.1.18 Structure des supercondensateurs (Création de la couche double électrique) [MAXW] Un supercondensateur peut être représenté par un modèle équivalent simple, RC série comme montre la figure 1.19, modèle proposé par un nombre important de publications [SHI-28] et de spécifications constructeur [MAXW-23]. Le condensateur est représentatif de la charge stockée, connecté en série à une résistance appelée résistance série équivalente (ESR) qui modélise les pertes d énergie du supercondensateur lors de la charge ou décharge. C ESR Fig.1.19 Modèle statique équivalent des s La nature du stockage électrostatique des supercondensateurs, leur confère une puissance spécifique potentiellement élevée, typiquement dix fois supérieure à celle des condensateurs classiques. En revanche, ils présentent une faible énergie spécifique, de l ordre 1 Wh/kg. Les s présentent l avantage de disposer d une durée de vie élevée (> 1 millions cycles), un fonctionnement dans une large plage de température (-4 C 8 C), une fiabilité et une efficacité énergétique importantes [COHE]. Un supercondensateur unitaire présente une tension de l ordre de 2,5 V à 2,7 V ce qui signifie généralement que plusieurs éléments doivent être mis en série afin d obtenir la tension demandée. Il est évident que connecter en série les condensateurs diminue leur capacité équivalente. Ainsi pour obtenir une capacité élevée à une tension donnée, un arrangement en série et en parallèle de plusieurs éléments est envisagée. Pour cette association, on parle de module complet ou pack [RIZO-26]. Cependant, la création de tels modules induit des déséquilibres de tensions entre les cellules constitutives. Ce phénomène, dû principalement à des disparités entre les caractéristiques de chaque supercondensateur élémentaire (capacité, courant de fuite, pertes en ligne), entraîne des sollicitations variables d'un élément à l'autre et, par voie de conséquence, un vieillissement prématuré de certains d'entre eux peuvent entrainées une dégradation en cascade de l'ensemble du module. Pour pallier ce problème, les fabricants proposent de façon systématique des dispositifs d équilibrage actifs ou passifs associés à ces modules afin de gérer ce problème [BELH-21, RIZO-24, GUAL-27] Accumulateurs, piles et batteries [HW-25, BOUL-29, BLAN-29] Les accumulateurs et les piles désignent des dispositifs dont la fonction est de transformer directement, c est-à-dire sans passage par une forme intermédiaire, l énergie libérée par une réaction chimique en énergie électrique. Cette réaction est activée au sein d une cellule élémentaire (Fig.1.2). Globalement, l'objectif d'une cellule est de créer une différence de potentiel entre deux électrodes, baignant dans un électrolyte. L'électrolyte permet la migration des ions entre l'anode et la cathode tout en interdisant le transfert des électrons. Ceux-ci devront transiter au travers d'un circuit électrique : la charge. L accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible. A la différence des, il n y a pas d apport extérieur de combustible. L énergie est stockée dans l accumulateur : il y a transfert de matière d une électrode à l autre suivant qu il s agit de la charge de l accumulateur (stockage) ou de sa décharge (restitution). Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 39

40 l est pas. Le terme batterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires (en général rechargeables). Fig.1.2 Principe de fonctionnement d une cellule d accumulateur [BOUL-29] En règle générale, une technologie de batterie est définie par le couple des matériaux d'électrodes et le type d'électrolyte. Une batterie, quelle que soit la technologie utilisée, est pour l essentiel définie par trois grandeurs. Sa densité d énergie massique (ou volumique), Wh/kg (ou en Wh/l). Sa densité de puissance massique, W/kg, représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l unité de masse de batterie. Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles (*), caractérise la durée de vie de l accumulateur, c est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer un niveau d énergie supérieur à 8 % de son énergie nominale, cette valeur étant la valeur la plus souvent demandée pour les applications portables. Une variable importante pour la gestion d énergie, et que l on retrouve également dans les s, est l état de charge EDC (en littérature anglo-saxonne, SOC State Of Charge). Il est défini comme le ratio de la capacité restante par la capacité à pleine charge. Comme dans tout système électro-chimique, les réactions chimiques dans ces systèmes sont sensibles à la température (loi d Arrhénius), ainsi certains types d'accumulateurs sont inefficaces à basse température, d'autres requièrent des températures élevées. La puissance (rapidité à délivrer l'énergie) est limitée par le plus lent des nombreux processus de réactions chimiques. Jusqu à la fin des années quatre-vingt, les deux principales technologies utilisées commercialement étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l alimentation de secours de centraux téléphoniques ) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours ). La technologie au plomb, connue plus communément sous le nom de batterie au plomb, est également qualifiée de système «plomb-acide». En effet, les deux électrodes sont constituées de plomb ; dioxyde de plomb à la cathode, plomb métal à l'anode, toutes deux plongées dans une solution d acide sulfurique qui constitue l électrolyte. Ces réactions tendent à convertir le plomb et l oxyde de plomb en sulfate de plomb, avec formation d eau. Pour recharger la batterie, ces réactions doivent être inversées par la circulation d un courant électrique imposé. Du fait de son emploi généralisé, la technologie est actuellement mature et bien maîtrisée ; en particulier la batterie au plomb est presque totalement recyclable. Un autre avantage majeur de ce type de batterie réside en un nombre de cycles importants. En revanche, elle est contrainte par une faible densité énergétique, une fragilité et une forte dépendance à la température. Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb ont conduit au développement d accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d électricité restituée à la décharge) mais souffrant de quelques limites, à savoir : un coût élevé, une tension de cellule relativement faible et d'une empreinte environnementale forte (utilisation du cadmium hautement toxique). Leurs électrodes sont soit à base de nickel et de cadmium (accumulateur nickel-cadmium), soit à base d oxyde de nickel et de zinc (accumulateur zinc-nickel), soit à base d oxyde d argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer (accumulateurs à l oxyde d argent). L électrolyte est quant à elle constituée d'une solution d'hydroxyde de potassium contenant de l'hydroxyde de lithium, pour toutes ces technologies. Cette famille se démarque par une puissance spécifique plus élevée et une cyclabilité importante que la précédente technologie. D'autre part, sa tenue en température autorise une (*) cycle : charge décharge Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 4

41 utilisation sur une grande plage thermique (-4 C à +85 C), qui constitue un avantage indéniable dans le cadre d'une application transport. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d énergie massique restent relativement faibles (35 Wh/kg pour le plomb, 5 Wh/kg pour le nickel-cadmium) ainsi que leurs tensions. Ainsi, dans l optique de surmonter ces limites, des nouveaux couples sont à envisager. Au début des années quatre-vingt-dix, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergé: les accumulateurs nickel-métal hydrure (NiMH) et les accumulateurs au lithium. La première filière, mettant en jeu une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d un alliage absorbant l hydrogène plongeant dans une solution de potasse concentrée. Cette technologie apporte des améliorations intéressantes en terme de densité d énergie massique, qui peut atteindre 7 à 8 Wh/kg, et l absence de cadmium, limite l impact environnemental. Le coût de ce type de batterie reste malheureusement des plus élevés comparé aux technologies déjà évoquées (l utilisation d'un hydrure métallique pour la négative entraîne un surcoût). La seconde filière avait déjà fait l objet de travaux vers la fin des années soixante-dix, dans la perspective de trouver des couples électrochimiques présentant de meilleures performances que les accumulateurs au plomb ou au nickel-cadmium employés jusque-là. Les premiers modèles ont ainsi été conçus avec une électrode négative à base de lithium métallique (filière lithium-métal). Cependant, cette technologie s est heurtée à des problèmes liés à une mauvaise reconstitution de l électrode négative de lithium au cours des charges successives. Néanmoins, ces couples présentent des performances remarquables, en termes de tension et densité d énergie. C est pourquoi, vers le début des années quatre-vingt, des recherches ont été entreprises sur un nouveau type d électrode négative à base de carbone, utilisé comme composé d insertion du lithium. La filière lithium-ion était née. C est ainsi que les constructeurs, ont décidé de mobiliser au cours des années quatre-vingt des ressources considérables afin de faire progresser la technologie et de la rendre industrialisable. Aujourd hui, cette technologie offre des performances remarquable notamment en terme de densités énergétiques qui peut atteindre >13 Wh/kg, de tension de cellule et une densité de puissance qui est importante. Cette technologie est considérée comme extrêmement prometteuse et fait l'objet d'une recherche intensive et les problèmes de sécurité (prise de feu) fréquemment invoqués sont en passe d'être résolus. Cette filière présente de nombreux candidats différents selon les électrodes ou l électrolyte utilisés. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériaux qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive. Les accumulateurs lithium polymère remplacent souvent les accumulateurs lithium-ion, ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs. Les performances des principales technologies sont rappelées ci-dessous dans le tableau 1.3 Tab.1.3 Principale caractéristiques des différentes technologies de batterie [BOUL-29] Choix d un système de stockage d énergie Il existe de nombreux critères permettant de comparer ces deux dispositifs de stockage [MULT-27]. Par exemple, nous pouvons citer : l'énergie spécifique (ou volumique), la puissance spécifique (ou volumique), le rendement sur un cycle, l'auto décharge, la durée de vie (temporelle ou cyclique), le coût, le rendement ou encore l'impact environnemental. S'il est évident qu'au final, chacun de ces aspects doit être pris en considération, il s'avère que la durée de vie, l'énergie et la puissance spécifique sont trois critères essentiels pour aborder la problématique liée à l utilisation. Pour guider cette démarche, il est important de s appuyer sur la littérature consacrée au sujet de l utilisation et du choix de ces dispositifs de stockage dans les systèmes hybrides. On trouve des approches sous diverses formes et pour différentes applications. On peut les classer en fonction de la nature du système d assistance : - Assistance à base de Batteries : les batteries viennent compléter des sources principales, soit en autonomie et/ou en puissance. A ce sujet, on trouve en [GAO-24], une hybridation - batteries pour les applications embarquées, en Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 41

42 [PASK-29], une hybridation photovoltaïque, éolien et batterie pour des applications site isolé, et également pour une application véhicule hybride assisté par des batteries [ALVA-21]. L objectif étant de réduire l impact sur les ou la source primaire, en terme de puissance, de dimensionnement (volume, poids et cout), l impact sur l environnement (application de véhicule), et également l économie du combustible. - Assistance à base de s : les s viennent remplacer les batteries, vu les caractéristiques qu ils offrent, notamment en terme de durée de vie et de densité de puissance, elles s apprêtent parfaitement dans de nombreux applications contraints par la forte dynamique de la demande. En effet, elles viennent soulager la source principale de l alimentation. Sur ce type de système, on trouve pour une hybridation batterie combinée aux s pour différentes applications : alimentation sans interruption ASI (en anglais UPS, Uninterruptible Power Supply) en [KIM-26], alimentation de bus (TOHYCO-Rider-Bus) en Suisse étudiée en [HAER-29]. Toutes ces études ont plus au moins les mêmes objectifs, à savoir : accroître la fiabilité et les performances de système, réduire l impact des transitoires sur les batteries et augmenter leur durée de vie, ou encore réduire l impact environnemental de l ensemble. Concernant les systèmes hybride /, on peut citer les travaux dans [THOU-26] pour les applications automobiles, pour lesquels l objectif était de soulager la pile lors des transitoire rapides, permettant ainsi de palier les problèmes de sous alimentation (réduction du vieillissement de la en restant proche des conditions opératoires optimales) et bénéficier d une économie de combustible (par amélioration du rendement de conversion du réacteur de la ). Dans ce même type de système, il y a une étude réalisée en [CHOI-23] pour des applications ASI et également en [NERG-22] pour une application résidentielle, visant à répondre aux mêmes objectifs. Les auteurs de [DEST-24] ont utilisé également dans un train (GWS) une assistance par super-condensateurs afin réduire la consommation, les pertes, le coût, le volume, le poids et l impact environnemental, dans un système combiné moteur diesel/réseau. - Assistance mixte : dans ce cas, les s viennent compléter les batteries lors des transitoires rapides. La encore on trouve différentes applications. On prend à titre d exemple, pour une application classique de type véhicule hybride combinant les deux sources de stockage comme assistance, en [HU-23]. Là encore les objectifs sont : la réduction de la consommation et l impact environnemental, les pertes dans le système et l intégrité de chaque source. En [ULLA-24], pour une application stationnaire (site isolé) à base d une éolienne connectée à un stockage combiné «batterie / supercondensateur», dans le but de garantir une stabilité de réseau et une continuité de service. Une combinaison pile à combustible, super-condensateur et batterie a également été envisagée. Ce système a été étudié [GAO-24] pour une application bus. Il a été démontré un gain substantiel en termes de performance, de fiabilité et d économie de combustible. A travers de l état de l art de l utilisation de ces dispositifs de stockage, nous pouvons constater que les deux technologies sont assez répandues pour diverses applications, avec une tendance à favoriser celle des s pour les applications présentant de forts transitoires de puissance. Des critères de comparaisons de ces dispositifs de stockage sont communément admis. Traditionnellement, les critères de comparaison se représentent sous la forme d un diagramme de Ragone présentant la puissance spécifique d un dispositif en fonction de son énergie spécifique. En se référant à l application automobile qui nous servira de support, nous pouvons considérer que l'énergie spécifique représente la capacité d'une source à fournir de l'autonomie au véhicule et la puissance spécifique, la capacité d'une source à fournir de la dynamique (agrément de conduite) au véhicule. La figure 1.21 illustre la représentation de différentes sources dans le plan de Ragone. Il s'avère qu'en termes d'autonomie, les batteries bénéficient aujourd'hui d'un net avantage sur leurs concurrents (supercondensateurs). En revanche, les supercondensateurs présentent une puissance spécifique largement supérieure à celle des batteries. Et, pour une comparaison sur un nombre important d aspects, la figure 1.22 présente un diagramme récapitulatif d une comparaison des s avec différentes technologies de batterie. Néanmoins, pour faire un choix, nous devons aussi nous référer aux contraintes imposées par la source principale ( associée au réservoir d hydrogène), et aux exigences de l application visée (traction automobile), à savoir : continuité de service, durée de vie élevée, densité de puissance importante, réversibilité, efficacité et fiabilité. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 42

43 Energie spécifique [J/kg]. Puissance spécifique [W/kg] DLC : Double Layer Capacitor Supercondensateur Fig.1.21 Plan de Ragone [MAXW] Fig.1.22 comparaison entre batteries et super-condensateurs [GARC-27] Nous pouvons conclure que, de part sa construction, la batterie, accumulateur électrochimique, utilisée par de nombreux constructeurs, a une densité de puissance massique assez faible et est fortement sensible à la température (loi d Arrhénius). La conversion électrochimique a de plus, l inconvénient de conduire à une durée de vie limitée surtout dans le cadre d une application contraignante comme automobile. Le super-condensateur est une technologie permettant de respecter les conditions et contraintes de l application précitées. Dans l optique de réaliser une assistance à la qui satisfasse les contraintes mentionnées auparavant, il faut utiliser des sources d énergie rapides, de ce fait l utilisation des supercondensateurs est évidente. Soulignons que l hybridation / semble une association pertinente au regard de leur complémentarité en termes de puissance spécifique et d énergie spécifique. Néanmoins, un volume moins important est requis pour stocker la même énergie dans les batteries. Un choix idéal serait d utiliser des batteries avec des supercondensateurs afin de prendre les avantages de l un et l autre. Mais cela signifierait une complexification du système qui est la plupart du temps évitée par les industriels (gestion énergétique et coût d approvisionnement et de suivi). 2.6 Super-condensateur associée à un système : les enjeux L hybridation pile à combustible associée à des s offre de bonnes performances en termes d autonomie, de puissance disponible, d économie de combustible, de continuité de service, etc. Seulement, pour tirer profit de ces avantages, différentes contraintes doivent être prise en compte dans la mise en œuvre de tel système. Ainsi, pour évaluer l apport de l hybridation et son potentiel en terme d économie de carburant et d émissions de polluants par rapport à un véhicule conventionnel, un bilan global doit être considéré en analysant le coût du cheminement de l énergie du «puits à la roue». Dans le cadre de ce travail, seules les améliorations qui peuvent être apportées au générateur lui-même sont étudiées, autrement dit, pour une structure donnée, assurer l intégrité de chaque source tout en satisfaisant les spécifications de la Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 43

44 charge. Plusieurs pistes, généralement complémentaires, peuvent être envisagées : réduction de la masse du véhicule, optimisation de la taille des organes de la chaîne de traction (dimensionnement), etc. Les travaux présentés dans ce mémoire se concentrent plus particulièrement sur la gestion des flux énergétiques entre les différentes sources d énergie et la charge, ainsi que le fonctionnement sécuritaire du système même dans les modes extrêmes. Les stratégies de gestion élaborées devront donc, répondre à un cahier des charges préalablement défini ainsi que satisfaire les contraintes du système à savoir : - Trouver une manière «efficace» de partager cette puissance entre les différentes sources (engendrant un taux d hybridation) - Faire fonctionner les s lors des transitoires et la pour l autonomie du générateur. - Assurer les différents modes de fonctionnement. - Respecter l intégrité de chaque source (dynamique lente de la, gestion de l état de charge de s), ce qui donne un gain en termes d économie d énergie et de durée de vie de la. - Gérer les limites des générateurs, ce qui permet un fonctionnement sécuritaire et une fiabilité accrue. 2.7 Conclusion Ce chapitre nous a permis de présenter la source principale d énergie utilisée, de la cellule jusqu au système et du comportement en régime statique à celui en régime dynamique. Ceci a permis de caractériser le fonctionnement de ce générateur en vue de son utilisation dans des applications à fortes fluctuations de puissance. Nous avons en particulier noté le phénomène d hystérésis dans le plan V-I qui se manifeste à des fréquences de cycle faibles (inférieures au Hz) et qui est révélateur d une mauvaise utilisation du stack par sous-alimentation en oxydant. Ainsi, il nous paraît néfaste d utiliser une directement avec une utilisation à profil de puissance chahuté. Nous proposons d adjoindre à ce générateur un système d assistance, donnant un système hybride capable de répondre aux exigences dynamiques de l utilisateur. Nous avons ensuite étudié les candidats potentiels et nous avons mis en évidence les supercondensateurs comme source aux qualités complémentaires de la. Les deux sources du système hybride étant choisies, nous allons nous intéresser aux architectures permettant de les faire fonctionner harmonieusement et efficacement. Ce travail s accompagnera bien évidemment d un pré-dimensionnement lié à un cahier des charges que nous définirons autour du véhicule urbain électrique. Ce sera l objet du chapitre suivant (chapitre 2). Dans un second temps (chapitres 3 et 4), nous développerons une stratégie de contrôle et de gestion d énergie associée à ce générateur hybride. Chapitre 2 : Générateur : description et modélisation Page 44

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49 Chapitre 3/ Choix et pré-dimensionnement de structures de systèmes hybrides à 3.1 Les enjeux de l alimentation électrique par et réservoir d hydrogène Cahier des charges pour la mise en application Définition du cahier des charges et profil de la demande en puissance Pré-dimensionnement des constituants du système Dimensionnement de l empilement de cellules de la Dimensionnement du module de super condensateurs Discussion sur l utilisation du système : en mode courant ou en mode tension Introduction Fonctionnement à courant imposé Fonctionnement à tension imposée Analyse et classification de structures selon les degrés de liberté qu elles offrent Structures et degrés de liberté Structure directe (zéro degré de liberté) Structure indirecte à un convertisseur (un degré de liberté) Structure indirecte à un convertisseur connecté à la Structure à un convertisseur connecté au s Structure à deux convertisseurs (deux degrés de liberté) Bilan Conclusion 69 REFERENCES Chapitre 3 71 Chapitre 3 : Choix et pré-dimensionnement de structures de Systèmes Hybrides à Page 49

50 Chapitre 3 Choix et pré-dimensionnement de Structures de Systèmes Hybrides à Pile à Combustible 3.1 Les enjeux de l alimentation électrique par et réservoir d hydrogène La pile à combustible à hydrogène est un convertisseur de puissance qui transforme l'énergie chimique de l'hydrogène en une énergie électrique et une énergie thermique tout en produisant de l eau qu il est possible de valoriser. Contrairement à d autres convertisseurs électrochimiques comme les batteries, le générateur pile à combustible découple les aspects puissance et énergie et ainsi en facilite la conception et l optimisation. En effet, la conception des batteries est toujours dictée par un compromis entre énergie embarquée (autonomie) et puissance nominale. Cela tient au fait que l augmentation de la puissance nominale nécessite une augmentation de la surface active des électrodes qui, à dimensions données, est obtenue par une plus grande porosité de celles-ci. Par conséquent cette puissance plus importante s accompagne d une diminution du volume de l électrode et donc de la matière active (couple redox). En revanche, dans le cas des piles, les éléments oxydant et réducteur sont amenés à la demande, au fur et à mesure de leur consommation dans le réacteur. La pile est donc optimisée en puissance tandis que les réservoirs d oxydant et de réducteur sont optimisés en masse et/ou en volume pour assurer la meilleure autonomie pour une masse et/ou un volume donnés. Par ailleurs, beaucoup d applications privilégient l air comme source d oxygène. Dans cette situation, seul doit être pris en compte le stockage de l hydrogène. Or, cette molécule possède la densité énergétique la plus élevée (12 MJ/kg) ce qui confère à cette solution un potentiel très attrayant. Si la solution d un électro-générateur (H 2 / ) est séduisante, sa mise en œuvre réelle reste un champ d investigation important. Le type et la technologie du stockage d hydrogène, le choix du stack et de ses auxiliaires, les grandeurs effectivement mesurées, le contrôle du système, ainsi que son interfaçage avec l utilisation sont autant d éléments de choix et de voies de progrès [PERA-27]. Si l amélioration des constituants (choix du stack et de ses auxiliaires, le contrôle du système etc) est indispensable et significative d année en année, notre ambition se limite à la meilleure adéquation système, c est-à-dire au choix de Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 5

51 l architecture de l électro-générateur en lien avec la charge électrique. Nous avons déjà souligné que la pile à combustible est conçue autour du critère principal de la puissance maximale qu elle doit délivrer. De ce point de vue, force est de constater que de nombreuses applications ont un besoin de puissance fortement fluctuante, comme cela a été souligné dans le chapitre 1. La pile sera donc conçue pour le point de fonctionnement de plus forte puissance alors que celui-ci n a peut-être qu un taux d utilisation faible. Cela a deux impacts négatifs. D une part, le réacteur électrochimique comme ses auxiliaires seront volumineux et coûteux. D autre part, les fonctionnements à puissance réduite seront synonymes d utilisation de la pile à faible densité de courant donc avec des cellules à forts potentiels (proche de la tension de circuit ouvert). Les mécanismes de vieillissement de l assemblage membrane électrode (AME) sont encore mal connus et en cours d investigation [TANI-28, PERA-27, GERA-27]. Toutefois, il est établi que l utilisation prolongée à fort potentiel entraîne une détérioration accélérée de l AME. Les éléments de réponse actuels sont que le fonctionnement à faible densité de courant favorise les conditions oxydantes à la cathode de la cellule (dont la présence de peroxyde d hydrogène H 2O 2). Celles-ci accélèrent le vieillissement de la cellule de plusieurs manières [TANI-28, KUND-27]. Le premier phénomène est le délaminage des différentes couches de l AME entraînant une détérioration de la résistance électrique de contact. On assiste aussi à une oxydation du carbone de la couche active en dioxyde de carbone ainsi que des sites catalytiques de platine. Il est également à déplorer une rupture partielle des chaînes polymères de la membrane elle-même. Aussi, ces deux arguments (coût/encombrement et durée de vie) ne plaident pas pour une utilisation de la pile sur une trop grande plage de puissance ; dans les nombreux cas où la charge l exige la seule solution est de découpler partiellement les besoins de la charge de la fourniture de puissance de la pile grâce à un organe de stockage auxiliaire. Ce besoin de découplage des puissances source et charge peut être renforcé dans le cas où la charge exige des variations rapides de son niveau de puissance. En effet, l air doit être amené à la cathode au fur et à mesure de la consommation d oxygène. Aussi lors de variations brutales de la charge électrique, le compresseur d air qui réalise cette fonction ne peut réagir instantanément (temps de réaction de l ordre de la seconde) entraînant un phénomène d appauvrissement en oxygène à la cathode, déjà souligné lors de la description fine du système PAC. Ce phénomène est encore à l étude mais engendre une dégradation accélérée de l AME [GERA-27, HARE-27, WAHD-28]. En effet, dans ces conditions extrêmes, l hétérogénéité d approvisionnement en gaz des cellules est renforcé. Au niveau d une cellule, on constate un gradient de concentration d oxygène dans la chambre cathodique entre l entrée et la sortie conduisant à de fortes densités de courant pour les parties actives proches de l arrivée d air. Ce gradient entraîne un échauffement local de ces zones, phénomène néfaste pour la durée de vie du polymère (pouvant engendrer une micro-fissure au sein de l électrolyte) [TASA-26, PADD-29]. Par ailleurs, on assiste aussi à une disparité entre cellules. Certaines d entre elles peuvent ainsi temporairement passer en électrolyse par inversion de tension : autre phénomène néfaste entraînant un échauffement local destructeur ou bien l arrêt du courant si une mesure conservatoire est prise par le système de gestion de la pile. On voit donc à nouveau la nécessité induite par l application et les caractéristiques internes d une pile H 2/air de ne pas contraindre cette dernière à fournir à tout instant la demande de la charge. Il nous faut intégrer au cœur de l électro-générateur les contraintes de bon fonctionnement de la pile. Dans ce chapitre nous allons aborder la structure de l électro-générateur (Fig.2.1). Sa commande et sa stratégie de gestion seront envisagées dans un second temps au chapitre suivant. Pile àcombustible? Contrôle et gestion d énergie Étage d adaptation PAC?? s? Supercondensateurs Supercondensateurs Puissance [kw] Charge Electrique Temps [s] Fig.2.1 Schéma fonctionnel du système hybride pile à combustible / Supercondensateur Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 51

52 La problématique de ce chapitre est donc centrée sur le choix de l architecture et le pré-dimensionnement des constituants principaux : pile à combustible et organe de stockage. La réalisation détaillée du système complet (sources et interface d interconnexion) sera affinée et complétée une fois son contrôle et sa stratégie de gestion totalement établis. Ce travail s appuie et complète des travaux déjà réalisés dans la communauté sur ce sujet. En effet, l introduction d un organe de stockage peut être réalisée par un nombre important d architectures différentes. Les nombreuses architectures électriques de ce système hybride peuvent être classées en trois catégories : série, cascade, et parallèle [CACC-24, JIAN- 24, GIUL-24]. La différence entre ces multiples configurations réside principalement dans le nœud liant les sources d énergie. L étude de la littérature associée a montré que l architecture parallèle est la structure la plus avantageuse [CACC- 24, JIAN-24]. Elle présente notamment des contraintes plus faibles sur les composants, une facilité de gestion d énergie et une fiabilité accrue. De ce fait, on peut alors distinguer et envisager différentes topologies de structures parallèles en fonction de l association des constituants, offrant ainsi des degrés de libertés plus ou moins nombreux pour la gestion d énergie [SANT-22, EHSA-25, DAVA-29]. La structure hybride la plus simple consiste à interconnecter directement les deux sources sur le bus continu du système. Elle est dite passive, ou encore à zéro degré de liberté. Elle est possible par la prise naturelle des contraintes de chaque source ; dans ce cas, la bonne répartition des puissances entre les sources est obtenue par le dimensionnement des constituants. Elle a fait l objet d études dans [GALO-26, GARC-27]. Dans le premier cas, une structure directe utilisant une combinaison supercondensateurs - batteries pour des applications sur véhicule est abordée. Dans la seconde étude, une combinaison pile à combustible - supercondensateur a été utilisée dans le cadre du projet CELINA (fuel CELl application In a New configured Aircraft), et vise à réaliser une alimentation de secours pour l aéronautique (Fig.2.2). Un deuxième mode d association consiste à associer une des sources à un convertisseur statique. Ce découplage par interface de puissance permet de découpler le comportement d une source par rapport à l autre et offre donc un degré de liberté tant du point de vue de la conception que de celui de la conduite du système. On parle alors d une structure active à un degré de liberté. Une stratégie de gestion de puissance et d énergie peut alors être mise en place pour en profiter. Dans ce cadre, les auteurs dans [OUYA-27], ont utilisé les deux configurations (zéro et un convertisseur) avec un système hybride / Batteries, pour des applications embarquées (Fig.2.3). Un autre exemple, traite d une application démarreur dans le même esprit [AYAD-23] ; les auteurs proposent une association s / batteries utilisant un seul convertisseur connecté à la source d énergie principale : les batteries. Fig.2.2 Structure à connexion directe [GARC-27] Fig.2.3 Structures d un système hybride à un degré de liberté [OUYA-27] En étendant ce principe, on peut aboutir à une structure active à deux degrés de liberté en associant un convertisseur à chacune des sources. Cette architecture très générique se retrouve dans de nombreux travaux, comme par exemple dans les études de [GALO-25, MARI-25, THOU-26, PAYM-27, ORTÚ-27, FERO-29], utilisant la pile combinée soit avec des batteries soit avec des supercondensateurs. Ce type de structure procure une importante flexibilité vis-à-vis de la conception et de la gestion énergétique. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 52

53 Les travaux évoqués offrent, entre autres, une bonne mise en lumière sur les aspects de conception d architecture de système hybride. Nous allons cependant au cours de ce chapitre reprendre une description du champ des structures possibles en vue d en souligner les avantages et les inconvénients et dans le but d aboutir à un choix de structure pour le système hybride retenu ( / s). Pour l'essentiel, les travaux concernant ces structures constituent des reprises, d'études antérieures menées sur ce sujet. L'originalité de notre étude réside notamment dans le choix de la structure qui, avec un contrôle approprié, est totalement novatrice. Pour donner sens à cette classification et au choix final, l établissement du cahier des charges correspondant à la mise en application envisagée, ainsi qu un pré-dimensionnement des constituants principaux s avèrent primordiaux. Ceci fera l objet de la première partie de ce chapitre. Les deux sources étant présentées ainsi que les contraintes auxquelles devra faire face le générateur hybride (cahier des charges), nous nous intéressons dans la suite à l association de ces deux sources. Pour cela, une étude de pilotage du système est présentée dans un premier temps afin de permettre une meilleure compréhension de l impact de l association sur le contrôle. Les différentes associations sont en suite exposées. 3.2 Cahier des charges pour la mise en application Définition du cahier des charges et profil de la demande en puissance Cette partie décrit l environnement de fonctionnement utilisé pour tester et analyser les différentes structures et algorithmes de commande développés au cours de ce travail. Le contexte de fonctionnement doit intégrer des contraintes appropriées aux différents éléments constituant le groupe électrogène. En effet, dans notre cadre applicatif, le conducteur du véhicule agit sur les pédales d accélérateur et de frein pour atteindre sa consigne de vitesse. Cette consigne qu il se fixe inconsciemment dépend principalement de l environnement dans lequel il évolue (une autoroute, une route de montagne, un embouteillage, ), mais également de sa nature (économe, sportive, agressive ). Il n est pas ainsi envisageable de prendre en compte toutes les situations de conduite possibles. Cela rend difficile la construction d un cahier des charges décrivant précisément le besoin en puissance et en performances (vitesse, accélération, pente, autonomie ). De plus, ces derniers critères sont en étroite dépendance avec d autres facteurs, à savoir : volume, poids et coût, mais également disponibilité et durée de vie. De nombreuses études ont déjà montré la difficulté de traiter ces caractéristiques [ANDR-24, DAI-28]. Cependant, ces dernières années, plusieurs cycles ont été proposés pour décrire les conditions de fonctionnement typique, et sont d usage courant dans les phases de conception, de développement et de test des véhicules. Le cycle est ainsi constitué d un profil de vitesse et d un profil de pente pour un profil de route donné, définis en fonction du temps. Il ne s agit pas des consignes désirées par le conducteur, mais bien de celles réalisées par le véhicule. Il permet de comparer les véhicules et leurs stratégies en évaluant la consommation et/ou les émissions de polluants du véhicule dans des conditions de roulage données, et également en mesurant les performances dynamiques du véhicule voire la capacité de récupération de l énergie cinétique de freinage. Dès lors, à partir d un profil d usage et du modèle mécanique, renseigné par les caractéristiques du véhicule, la puissance nécessaire au déplacement du véhicule est quantifiable et permet à la fois de dimensionner les différents organes et de définir une stratégie de gestion d énergie. La littérature offre de nombreux standards pour diverses applications car l usage d un véhicule automobile diffère selon la zone géographique (États-Unis ou Europe), le type de voie (urbain ou autoroutier) et le type de véhicule (véhicule léger ou poids lourd). Pour le véhicule, les cycles de référence peuvent être classés en deux catégories - Les cycles normalisés : ils sont imposés par les normes et ils sont établis à partir d une étude statique portant sur des missions de circulation. A titre exemple, le cycle le plus utilisé en Europe est le Nouveau Cycle Européen de Conduite (NEDC New European Driving Cycle). Pour les Etats-Unis d Amérique, le cycle le plus commun est le UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) est aussi appelé FTP (Federal Test Procedure) [JAEC-21]. - Les cycles d usage réel : ils sont issus des mesures dans des conditions d études réelles ayant pour objet de caractériser des usages types, à l image des cycles (Hyzem et Artemis) [ANDR-24] conçus par l INRETS dans le cadre de projets européens. Le cycle NEDC est largement adopté au sein de la communauté (Fig.2.4) [JAEC-21]. Il présente un parcours mixte incluant quatre segments consécutifs de Cycle de Conduite Urbain (UDC Urbain Drive Cycle), parcours typique d un véhicule dans un environnement urbain (de à 8 s) avec des arrêts et des démarrages fréquents, suivis d un segment du Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 53

54 Cycle de Conduite Extra Urbain (EUDC Extra Urbain Drive Cycle), parcours typique d un véhicule dans un environnement suburbain (de 8 à 1 2 s) avec des vitesses plus importantes et plus soutenues. 12 Vitesse [km/h] Temps [s] Fig.2.4 Profil de vitesse pour un véhicule suivant un cycle NEDC L UDC ou encore ECE-15 a été développé pour représenter les conditions de fonctionnement en ville, par exemple à Paris ou à Lille. Il est caractérisé par une vitesse basse avec des arrêts fréquents (Fig.2.5). 45 Vitesse [km/h] Temps [s] Fig.2.5 Profil de vitesse pour un véhicule suivant un cycle ECE-15 La vitesse d un véhicule peut être traduite en puissance P constante à fournir en fonction des caractéristique du véhicule tels que : sa masse, les frottements dus au roulement, son coefficient de pénétration dans l air et, également de la pente de la route par l équation suivante [MOSD-23] P Moteur = V C r M g cos Avec - V : vitesse du véhicule [m/s], - M : masse du véhicule [kg], - g : la constante de gravité 9,81 m.s -2, dv dt ( α ) + M g sin( α ) + M + ρ S C V - α : pente de la route (angle par rapport à l horizontale), - C r : coefficient de roulement du véhicule, - C x : coefficient aérodynamique. - ρ : masse volumique de l air [kg/m 3 ] x (2.1) - S : la surface frontale [m 2 ] A titre d exemple, la figure 2.6 représente la demande de puissance de la voiture, définie par les paramètres annoncés cidessous. Cette voiture évolue sur une route horizontale et suit le cycle ECE-15. Paramètres : Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 54

55 M=1; g=9,81; α=; Cr=,1; Cx=,3; ρ=1,225; S=2,5. 1 Puissance [kw] Temps [s] Fig.2.6 Profil de puissance pour un véhicule suivant un cycle NEDC On peut remarquer des changements de puissance brutaux chaque fois le conducteur exige un changement de vitesse : en effet, ce changement progressif de vitesse exige un couple d accélération ou d e freinage important pour vaincre l inertie du véhicule. Dans cet exemple, la puissance moyenne exigée par la voiture est réduite - valeur de.72 kw -, par rapport à la puissance maximale qui atteint une valeur d environ 1 kw. On constate donc un rapport (P Max /P Moy ) très élevé qui atteint ici 13.7 ; ceci constitue une contrainte de conception très forte si on adopte, pour tous les constituants, la puissance crête comme puissance nominale. Ajoutons que les contraintes dynamiques imposées ne sont loin de ce qu on peut rencontrer en réalité et elles ne représentent pas toute la diversité des comportements qu un véhicule peut présenter (pente du terrain et comportement plus dynamique du conducteur selon la situation). Pour ces raisons, nos approches de commande et gestion d énergie seront testées sur la simulation du cycle ECE15 mais également sur un profil plus sévère utilisant une succession d échelons de puissance, caractéristique d accélérations et de freinages plus marqués comme de modification de la pente du terrain. En second lieu, les puissances mises en jeu seront réduites à l échelle de la maquette que constitue notre système. Précisons également que les puissances négatives qui figurent sur les profils de puissance représentent les puissances électriques récupérables lors du freinage du véhicule. La seule pile à combustible ne peut pas permettre à l alimentation électrique de profiter de la réversibilité du moteur électrique. En cycle urbain, l efficacité énergétique sera augmentée par la seule possibilité du groupe électro-générateur de récupérer cette énergie Pré-dimensionnement des constituants du système Les deux sources étant présentées, nous exposons dans cette partie le dimensionnement de celles-ci. Il est clair que le dimensionnement d une source doit être mis en relation directe avec l utilisation, plus précisément le profil de charge. Par ailleurs, en nous basant sur ce profil, nous choisissons les caractéristiques électriques limites de l ensemble des constituants, à savoir : la puissance maximale de la pile à combustible et la puissance maximale de l élément de stockage. Nous allons de plus, pouvoir spécifier l énergie maximale de freinage, que l organe de stockage peut récupérer. Enfin les tensions des différents étages du système sont fixées. Le choix de ces derniers va affecter le dimensionnement de la pile, de l élément de stockage ainsi que des convertisseurs utilisés. Le choix de ces caractéristiques est lié à la fois au cahier des charges et aux critères et/ou objectifs souhaités et à définir. Ayant deux sources pour délivrer la puissance à la charge, on dispose d un degré de liberté de conception et de commande. On est donc conduit à introduire un taux d hybridation (rapport de répartition de la demande de puissance de la charge entre les deux sources) paramètre délicat à définir car fortement lié à la (aux) mission(s) typique(s) à accomplir et aux contraintes que l on souhaite faire peser sur chaque source. Les deux objectifs que nous assignons au système est de répondre aux exigences de la charge tout en respectant l intégrité de chaque source (la dynamique lente de la, la profondeur de décharge de l organe de stockage ). Nous avons vu au chapitre 1 que la pile à combustible ne devait pas voir son fonctionnement inversé en électrolyseur et que par ailleurs le système disposait d un régime électrique transitoire à bande passante réduite. En revanche un pack de s correctement dimensionné n est contraint que par la bande passante du convertisseur de puissance auquel il est associé. Compte-tenu des deux limites citées, nous allons définir le taux d hybridation en s appuyant sur une décomposition fréquentielle de la demande de la charge [CHAP-1999]. La puissance exigée par le profil de mission P CH (t) est décrite dans le domaine Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 55

56 fréquentiel (par FFT) et décomposée en une composante basse fréquence P CH_BF (t) et une composante haute fréquence P CH_HF (t). La fréquence f limite délimitant ces deux domaines fréquentiels dépend des caractéristiques du système (essentiellement du compresseur et de son contrôle) ; la valeur du taux d hybridation sera une conséquence du choix de cette fréquence. Une valeur crédible pour de nombreux système est de 1 mhz, voire moins. Selon le profil de mission retenu, la composante basse fréquence P CH_BF (t) peut présenter des valeurs négatives pendant certains intervalles de temps. Comme ce fonctionnement est destructeur pour la et que le banc de s ne peut pas présenter de composante continue sous peine de voir son état de charge dériver d un cycle à l autre, le principe retenu est d écrêter P CH_BF (t). P CH_BF_écrêté (t) est la puissance que devra fournir le système PAC et est définie comme suit : les parties négatives de P CH_BF (t) sont écrêtées à zéro et les parties positives de P CH_BF (t) à la valeur P _max garantissant la non-modification de la valeur de la composante continue par rapport à celle de P CH_BF (t). Ainsi, on obtient un système PAC présentant une puissance maximale réduite ; la n a pas à être conçue pour des puissances maximales élevées à taux d utilisation très faible. Soulignons également que le concepteur peut prendre une autre contrainte pour la valeur inférieure d écrêtage afin de prendre en compte le phénomène de corrosion à faible densité de courant au sein de l AME des PEMFC. Il s agira dans les critères et objectifs de remplacer P _min = W par (P _min / P _max ) > ε en définissant une valeur pour le paramètre ε ; ε de.1 est une valeur communément admise pour les (les phénomènes de corrosion deviennent importants pour une tension de cellule PEM supérieure à.75 V [FRAN-21]. La différence entre P CH_BF (t) et P CH_BF_écrêté (t) est ajoutée à P CH_HF (t) pour constituer la demande en puissance attribuée au banc de s. La figure 2.7 résume le principe de cette décomposition fréquentielle que nous venons de décrire et que nous avons mis en œuvre dans un programme réalisé dans l environnement MATLAB. Décomposition fréquentielle FC F limite, P min Cmin/P max Cmax.... Filtre Critères res P Fréquence f de limite filtrage Puissance du système 1 x 14 Vitesse [km/h] M, C r, C x, S. S 2 Véhicule Temps [s] Cycle vitesse ECE-15 1 x Profilde puissance BF HF x Puissance des s Taux d Hybridation Application Alimentation Hybride Fig.2.7 Principe de la décomposition fréquentielle de la demande. Un exemple de décomposition a été effectué à partir des données d entrée suivantes : - Un véhicule suivant le Cycle ECE-.15 sur un terrain plat et ayant les paramètres choisis au paragraphe 2.2.1, - Une fréquence de filtrage de f limite = 5 mhz et P _min = Les résultats sont répertoriés sur les figures 2.8 et 2.9. On peut observer que la première décomposition fréquentielle (Fig.2.8) engendre deux composantes P CH _BF(t) et P CH_HF (t) dont la première présente des puissances négatives ; ceci n est pas surprenant compte-tenu du ratio (P Max /P Moy ) de 13.7 qui caractérise P CH (t). Un écrêtage de P CH_BF(t) s avère donc indispensable et permet de générer les puissances du système pile P CH_BF_écrêté (t) et du banc de s P CH_HF (t) + [P CH_BF (t) P CH_BF_écrêté (t)]. L algorithme fournit deux composantes bien distinctes. L une, affectée à la, est à évolution lente et à faible dynamique d amplitude (ici 2 W crête à crête). L autre est attribuée aux s ; elle est quant à elle alternative avec une grande dynamique d amplitude (ici 15 W crête à crête) et comporte des fronts raides. L énergie minimale qui doit être stockée le banc de s se déduit par intégration (Fig.2.1), sur un cycle, de la puissance P (t) qu il doit fournir. En relevant les valeurs extrêmes de cette courbe, on en déduit que le niveau moyen doit être supérieur à 45 kj et que le banc doit être capable de stoker au minimum 9 kj. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 56

57 1 x 14 P CH [W] x 14 P CH_BF [W] x 14 P CH_HF [W] Temps [s] Fig.2.8 Décomposition fréquentielle de la demande de puissance du cycle ECE x 14 P CH [W] x 14 P [W] x 14 P [W] Temps [s] Fig.2.9 Décomposition de la demande de puissance du cycle ECE-15 en P (t) et P (t) [P min = W]. 1 x 14 5 E [J] Temps [s] Fig.2.1 Evolution de l énergie dans le stockeur d assistance, ici le banc de s : E (t) Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 57

58 Dans un premier temps, le cycle de puissance nécessaire pour garantir une bonne mise en œuvre de l application doit être établi. Puis, pour le réaliser, il faut définir les caractéristiques électriques des différents constituants de l électro-générateur hybride. Pour cela des critères doivent être retenus pour répartir, à chaque instant, la puissance entre les différentes sources. Dans le cas de l alimentation / s, nous avons retenu une fréquence limite f limite pour la répartition fréquentielle et une puissance minimale lors de l utilisation de la permettant de garantir une densité de courant suffisante : ce dernier critère est renseigné sous la forme de ε = (P min /P max ) minimal. Les constituants principaux étant grossièrement définis (énergie et puissance), il faut spécifier plus précisément leur caractéristiques : c est l objet des sous-paragraphes suivants dans lesquels on trouve principalement le système, le système de stockage qui l assiste et les convertisseurs statiques qui leurs sont associés. Plus précisément : - Le système pile à combustible étant composé d un empilement de plusieurs cellules (stack), le dimensionnement du stack revient à déterminer la surface de la cellule élémentaire et le nombre de cellules nécessaires pour satisfaire la demande de puissance. - Le système de stockage d énergie étant composé d une association d éléments de super-condensateurs en série et en parallèle, il faut donc calculer le nombre de ces éléments pour que le pack de super-condensateurs puisse fournir et absorber les demandes d énergie. - Des convertisseurs statiques permettant le bon fonctionnement des deux sources précédentes ainsi que l interconnexion de celles-ci avec le bus continu. Outre les interrupteurs statiques, ces interfaces de puissance comportent des inductances et des condensateurs de filtrage. Ces composants sont étudiés dans l annexe B Dimensionnement de l empilement de cellules de la Quel que soit le type de pile à combustible, la tension d utilisation nominale est habituellement de,6 V à,8 V par cellule unitaire en fonction de la technologie considérée. Quant aux densités de courant générées, elles varieront de,1 A/cm 2 à 1 A/cm 2. La puissance brute générée par un stack P est le produit de la tension produite V et du courant fourni I ; elle se calcule par la relation suivante : P = V I = N E j S (2.2) Cell Où N Cell est le nombre de cellules élémentaires formant la pile, E Cell la tension par cellule (V), j la densité de courant en A/cm 2 et S la surface active des cellules en cm 2. Afin de dimensionner une pile selon la puissance désirée, on dispose d un degré de liberté puisqu il est possible soit de privilégier un courant nominal important (en augmentant la surface des cellules et même en assemblant en parallèle plusieurs stacks) soit la tension (en augmentant le nombre de cellules du stack et même en assemblant en série plusieurs stacks) [DANG-26]. Néanmoins, la réalisation technologique est bien entendu contrainte en particulier par la nécessité d obtenir une bonne répartition des flux de réactifs (homogénéité de la densité de courant dans une cellule et homogénéité de la répartition en tension entre cellules) et un serrage homogène (étanchéité des amenées de gaz, qualité de la résistance de contact, ). Ces exigences imposent une surface maximale (3 cm 2 ) pour la cellule élémentaire ainsi qu un nombre de cellules maximal pour le stack (une centaine) [DANG-26]. Par ailleurs l application a également des spécificités qui vont guider le choix des degrés de liberté de conception. Du point de vue de l utilisation, il est intéressant d avoir une tension de la plus élevée possible afin de limiter le courant demandé, car ainsi les pertes joule dans le système sont réduites. Ceci est obtenu d une part, par l augmentation du nombre de cellules jusqu à la limite technologique permise et d autre part, par l augmentation de la tension par cellule, en diminuant la densité de courant donc en augmentant la surface de cellule. En revanche, augmenter la surface de la pile pénalise le coût et l encombrement du système et favorise les points de fonctionnement à forts potentiels oxydants. On est donc conduit à utiliser la surface de la membrane jusqu à sa densité de courant maximale ; une limite aujourd hui admise pour la technologie PEM est une densité de courant nominale de,6 A/cm 2 correspondant à une tension de cellule en pleine charge d environ,6 V (pouvant diminuer jusqu à,4 V à,5 V au cours du vieillissement et lors de fonctionnement en conditions opératoires non-optimales) [WAHD-26]. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 58

59 Aussi, pour une tension nominale d utilisation donnée est-on amené à définir un courant nominal qui servira de base au calcul de la surface active de la cellule (ce courant est majoré de 1 à 2 % pour prendre en compte la consommation des auxiliaires du système ). De la tension nominale, on déduit le nombre N cell de cellules nécessaires. Compte-tenu de la tension cellulaire faible et de la contrainte sur N cell, le résultat est souvent excessif entraînant l obligation d associer plusieurs packs donc d augmenter le coût en augmentant la difficulté de gestion des fluides. Par ailleurs, les risques de défaillances réversibles sur une cellule augmentent avec le nombre de cellules. On doit donc envisager un convertisseur statique d adaptation de tension pour limiter le nombre de cellules. En effet, étant donné que la dynamique de tension d une PEM est importante (de l ordre d un facteur 2 puisque la tension à vide est typiquement de 1 V), on est souvent amené à interfacer la pile avec l application au moyen d un régulateur de tension. Si celui-ci peut être élévateur (hacheur parallèle) ou bien abaisseur (hacheur série), c est bien le premier cas qui prédomine. Dans le but d obtenir une réalisation technologique de bon rendement et facile à piloter, le rapport d élévation de tension doit rester modéré (c est-à-dire de 1 à 5 environ). Le diagramme suivant (Fig.2.11) décrit en détail la méthodologie de dimensionnement. Cahier des charges Baisser la tension V _Ch Tension en pleine charge P _max I _max I Courant maximal _ max P V _ max _ Ch J Densitéde courant S S Surface active I _ max J N Cell Nombre de cellules N Cell V _ Ch E Oui N Cell élevé Non FIN Fig.2.11 Méthodologie de dimensionnement de la pile à combustible Au sein du laboratoire universitaire LGEP, le système pile à combustible utilisé a été réalisé par la société canadienne Ballard. Il se structure autour d un cœur de pile de type PEM, dont l empilement comporte 46 cellules d une surface active de 76 cm 2. Sa puissance nominale électrique est de P _max = 12 W, pour un courant débité en pleine charge de I _max = 46 A (,6 A/cm 2 ), correspondant à une tension de sortie d environ 26 V (,57 V par cellule). Compte tenu des puissances exigées par la charge (puissance de traction du véhicule), nous avons adopté, pour la réalisation sur banc, un facteur d échelle de 1 pour les puissances Dimensionnement du module de super condensateurs Le dimensionnement d un module de super condensateurs consiste à déterminer le triplet capacité résistance série - tension nominale caractérisant, en première approximation, l'organe de stockage et à préciser sa constitution c est-à-dire le nombre N S d éléments à placer en série et le nombre N P de branches en parallèle. Ce dimensionnement est bien entendu basé sur les besoins en puissance instantanée et en énergie exigés par le cahier des charges. La méthodologie suivie consiste à : - fixer les niveaux des tensions ; - déterminer le nombre d éléments à mettre en série N S - déterminer la capacité totale du module de super-condensateurs à utiliser ; Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 59

60 - déterminer le nombre de branches à mettre en parallèle et la capacité de l élément unitaire. Le niveau de tension requis par l application va fortement conditionner le nombre d éléments à placer en série. En effet, la tension de travail d un élément est faible (de l ordre de 2,5 V) et doit être strictement respectée : son dépassement (jusqu à la tension crête) provoquerait une dégradation rapide de l électrolyte sous forme de gaz, phénomène préjudiciable au composant. Aussi, V _max la tension maximale requise pour le module détermine N S en divisant cette tension par la tension de travail élémentaire. La mise en module doit nécessairement associer des éléments pas idéalement appariés. En conséquence, l utilisation du module va forcément se heurter à une répartition non homogène des tensions élémentaires. C est pourquoi il est indispensable de prévoir des circuits de rééquilibrage. Cette solution est intégrée par les constructeurs dans leurs différents modules et a donc orienté le choix de la tension maximale d utilisation ; la tension maximale est de 32 V (deux modules de 16 V) ce qui permet d obtenir un niveau de tension similaire à celui de la pile à combustible. Notons que, pour effectuer sa fonction (stockage / restitution), la tension du module va devoir fluctuer fortement. En effet, à l instar de n'importe quel condensateur, l'énergie maximale W _max pouvant être stockée dans le module de s est caractérisée par la relation suivante : 1 2 W _ max = CV _ max (2.3) 2 En première approximation (pertes négligées), cette énergie varie sous l action de la puissance P = V I fournie par le module ; aussi est-il impossible d extraire, à un niveau de puissance P donné, toute cette énergie stockée. En effet, au fur et à mesure de la décharge du condensateur, la tension V de celui-ci diminuant, le courant I augmente pour assurer un produit (V. I ) constant. Pour retirer le dernier joule à la puissance P, il faudrait donc un courant infini (et une résistance interne nulle!). Le super-condensateur présentant des pertes Joule (prises en compte par le paramètre ESR), on voit donc que le stockage ou la restitution d énergie sous faible tension présente un mauvais rendement : 4 fois plus faible à V = V _max qu à V = (V _max /2). Aussi, le niveau de décharge minimal est-il choisi en fonction d un compromis entre l énergie disponible et le rendement du stockage/déstockage, c est-à-dire que l on recherche l utilisation d une part maximale de l énergie stockée sans compromettre outrageusement le rendement (échauffement ). On parle de profondeur de décharge d en % : V _ min V _ min = 1 (%) V _ max V _ max d (2.4) En pratique, la profondeur de décharge est généralement fixée à 5%, car, lorsque le module de super-condensateurs se décharge entre V _max et (V _max / 2), 75 % de l énergie stockée est exploitée. Par conséquent, l énergie maximale disponible par l élément de stockage W max_disp est la différence entre son état d énergie maximal W _max et minimal W _min. Ici elle vaut W _ max = CV _ max 4 2 (2.5) Si l'on néglige les pertes, il faut donc tenir compte de la puissance instantanée p (t) et évaluer par intégration la variation d énergie crête-à-crête : E = p (t).dt. La relation de base caractérisant la capacité minimale C pour le cahier des charges envisagé s'écrit : tw 2 2 ( V V ) p ( t) 1 W _ max_ disp W _ max -W _ min = C _ min _ max - _ min = 2 = (2.6) 8 E C (2.7) 3 V 2 _ max t max W min En adoptant le facteur 1 de mise à l échelle de la maquette, nous calculons C > 25 F. Malgré le fait que le choix de la profondeur de décharge limite les pertes Joule, il faut en tenir compte et en particulier majorer la valeur de C trouvée précédemment pour garantir qu à tout instant la tension du ne dépasse pas sa valeur de travail. En effet, cette tension est donnée par : Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 6

61 V 1 = ) C (2.8) ( t) ( V ) + i ( t) dt + ( Ri ( t ) V _ Max On voit donc qu un courant d intensité importante en fin de charge (-I max ) peut provoquer un dépassement non souhaitable. On adoptera cette vérification conservative qui prend en compte résistance totale R = ESR élém (N S /N P ) et capacité totale C = C élém (N P /N S ). Dans notre cas, nous adoptons pour Imax le courant correspondant à la puissance crête et à une tension intermédiaire de ¾ V _max. Dans la mesure où cette équation n est pas vérifiable avec les éléments ou modules commercialisé, il faut alors envisager des associations en parallèle pour augmenter la capacité totale C tout en diminuant la résistance interne totale R. On calcule le nombre de branches en parallèle N P en cherchant à satisfaire les deux relations précédentes. Dans notre cas, le calcul donne pour une tension maximale de 32 V, N S est égal à 12. La capacité minimale de l'organe de stockage vaut dans ces conditions 26 F (soit 32 F par cellule élémentaire). En dernier lieu, il est nécessaire de choisir le niveau de référence autour duquel le niveau de charge va fluctuer. Cette référence est choisie de telle sorte que les s puissent réagir dans les deux régimes, restitution (accélération du véhicule) d une part et stockage (freinage du véhicule) d autre part. En effet, il est souhaitable de garantir le même potentiel de variation d énergie pour les deux régimes, la tension de régime permanent est calculée par l équation ci-dessous : Soit : ( V -V ) C ( V V ) 1 W = 2 2 V _ dispo_ Acc W _ dispo_ Frein = C _ ref _ min _ max - _ ref = (2.9) 2 2 ( V + V ) _ max _ min _ ref = (2.1) 2 En adoptant la valeur typique V _min = (V _max / 2), on a : 5 V _ ref = V _ max V _ max (.79) (2.11) Discussion sur l utilisation du système : en mode courant ou en mode tension Introduction La pile à combustible PAC est une source de puissance qui convertit l'énergie chimique de l'hydrogène, en une énergie électrique, utilisable directement, et en une énergie thermique et l eau qu il est possible de valoriser. Globalement, nous souhaitons extraire deux informations essentielles comme on a pu voir lors de la modélisation : la tension de et le courant produit par la. Ainsi, nous pourrons prédire son comportement électrique. Cependant, en régime dynamique très lent, comme souhaité dans une structure hybride, sa caractéristique statique peut être utilisée : le modèle statique correspond à une force électromotrice en série avec trois éléments dissipatifs associées aux phénomènes irréversibles (cf ) : la perte d activation, la perte ohmique et la perte de concentration. La figure 2.12 reprend la courbe de polarisation d'une pile à combustible PEM. Par ailleurs, la conductivité de la membrane échangeuse de protons (électrolyte) est soumise à son taux d hydratation et la qualité des réactions électrochimiques dépend de l état de fonctionnement du réacteur (pressions partielles, température, accès aux sites catalytiques). Donc la caractéristique électrique de la pile est fortement variable et toute dégradation des conditions opératoires (noyage, assèchement, appauvrissement en air, ) entraîne une augmentation des pertes donc des chutes de tension plus élevées ; tout mauvais fonctionnement conduit à une caractéristique électrique statique assez fortement inclinée. On ne peut donc pas conclure sur la nature intrinsèque de ce générateur en tant que source de tension ou bien source de courant. En fait, ces deux modes de fonctionnement sont possibles et, en réalité, c est l'environnement électrique choisi qui va en décider. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 61

62 Tension théorique Zone de prédominance de la polarisation d activationd Tension Zone de prédominance de la polarisation ohmique Zone de prédominance de la polarisation de concentration Densité de courant Fig.2.12 La courbe de polarisation d'une pile à combustible PEM Si la peut être contrôlée en courant ou en tension, force est de constater, qu en mode établi, les deux solutions sont équivalentes. En revanche, dans des conditions de fonctionnement dégradé la réaction du système pile peut différer Fonctionnement à courant imposé Ce type de fonctionnement concerne une pile qui se voit imposer un courant par l extérieur comme dans le cas d un hacheur élévateur de sortie contrôlé en courant. Dans ce cas la pile impose la tension résultant de la densité de courant exigée aux cellules élémentaires. La tension du stack est donnée par le point de polarisation situé à l intersection de sa caractéristique avec la droite verticale à courant constant I = I imposé (Fig. 2.13). Tension V CO V résultante imposé I I CC Fig.2.13 Caractéristique d une à courant imposé Courant Dans le cas de la survenue d un dysfonctionnement transitoire réversible, la caractéristique statique va changer en s infléchissant nettement (Fig bis). Le courant restant imposé, la tension du stack diminue, éventuellement fortement comme dans le cas de l association d une densité de courant importante et d un noyage. La surveillance des tensions des cellules du stack peut alors détecter la survenue d une tension anormalement basse (seuil unitaire de.3 V à.4 V) synonyme de pertes importantes et donc de dégradations irréversibles (perçage de membrane par échauffement excessif, dit «hot spot»). Cette détection entraîne l arrêt du stack avec une reprise lente et précautionneuse. Si un dispositif avait pu détecter ce noyage et que le courant du stack était devenu plus faible pour permettre l existence d une tension supérieure au seuil de déclenchement du stack, le système aurait pu pallier ce problème temporaire sans perdre toute la puissance du stack ; de fait, ce noyage se corrigerait en augmentant le débit d air pour chasser les gouttes d eau accumulées dans les AMEs, puis éventuellement en corrigeant la température de l eau de refroidissement. Dans le cas d un assèchement, la mesure conduirait plutôt à diminuer la température du stack pour diminuer le point de rosée. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 62

63 Tension V résultant V résultant V limite I imposé Courant Fig bis Survenue d un dysfonctionnement sur une à courant imposé Fonctionnement à tension imposée Dans ce fonctionnement dual, le circuit électrique extérieur impose la tension aux bornes de la pile à combustible et celle-ci répond en fournissant un courant donné par le point de polarisation situé à l intersection de la caractéristique du stack avec la droite horizontale à tension constante V = V imposée. (Fig. 2.14). On obtient ce type de comportement en associant la à un bus DC maintenu stable à l aide d un condensateur de filtrage, voire dans le cas d une hybridation directe par banc de super-condensateurs. Tension V CO V imposée résultant I I CC Courant Fig.2.14 Caractéristique d une à tension imposée Dans l hypothèse de la survenue d un dysfonctionnement augmentant les pertes (Fig bis), la caractéristique de la pile va varier entraînant cette fois-ci une diminution du courant fourni par le stack puisque désormais la chute de tension («surtension») est imposée. La tension du stack reste adéquate, n engendrant pas de pertes notables, et permet ainsi un fonctionnement durable, certes à puissance réduite, mais laissant le temps à un système de diagnostic d identifier, de localiser et de caractériser le défaut puis d y remédier par des actions correctives comme évoquées précédemment. Tension V imposée V résultant V limite I résultant I résultant Courant Fig bis Survenue d un dysfonctionnement sur une à tension imposée Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 63

64 De cette analyse, il découle que le contrôle en tension est préférable dans la gestion du système au contrôle en courant. 3.4 Analyse et classification de structures selon les degrés de liberté qu elles offrent Structures et degrés de liberté Dans la partie précédente, nous avons vu que le choix d un groupe électrogène dépendait du cahier des charges de l application comme de la source primaire privilégiée. Dans le cadre de la filière hydrogène, l utilisation de la comme convertisseur final de l énergie chimique de l hydrogène en électricité impose de fortes contraintes sur l utilisation finale (régimes lentement variables et dynamique de puissance réduite). Pour permettre la généralisation de l usage de ce convertisseur, il faut donc lui adjoindre une (ou plusieurs sources auxiliaires). Comme expliqué au chapitre 1, nous nous sommes focalisés sur le concept de système hybride utilisant et s et dont le principe est de combiner les avantages respectifs de chaque constituant, tout en minimisant leurs inconvénients. Dans le paragraphe précédent, nous nous sommes attachés à montrer comment trouver des choix optimaux de ces constituants vis-à-vis d un cahier des charges. Nous nous sommes pour cela appuyé sur une décomposition fréquentielle de la puissance éventuellement associée à un écrêtage des puissances minimales et maximales que doit fournir la. Pour concrètement mettre en œuvre ce groupe électrogène hybride, il nous faut désormais envisager les architectures permettant l intersection des trois sources (la, le module de s et la charge). Dans notre exemple applicatif, la première est unidirectionnelle en puissance et est la seule source primaire d énergie du système complet. Les deux autres sources (s et traction du véhicule) sont bi-directionnelles en puissance et ne sont que des organes de stockage d énergie (sous forme électrostatique pour la première et mécanique pour la seconde. La question que nous allons désormais aborder est le choix de l architecture d interconnexion de ces trois sources. La figure 2.1 présente une architecture très générique illustrant notre problématique. Dans les faits, l interconnexion des trois sources peut être directe offrant certes une simplicité de réalisation (pas de gestion d énergie) mais en revanche aucun degré de liberté tant pour la conception que pour le contrôle ; nous l appellerons architecture à zéro degré de liberté. A l opposé, on peut envisager d interfacer chaque source avec son propre convertisseur statique, offrant ainsi la plus grande latitude de réglage et de choix ; nous l appellerons architecture à deux degrés de liberté. Cette solution peut s avérer coûteuse et vulnérable vis-à-vis des gains opérationnels qu elle apporte. Aussi peut-il s avérer intéressant de trouver un compromis en minimisant le nombre de convertisseurs ; nous appellerons cette dernière solution : architecture à un degré de liberté. On peut noter traditionnellement trois topologies comme évoqué dans la première partie : série, cascade, et parallèle. La différence entre ces différentes configurations est principalement le nœud liant les sources d énergie. Dans notre étude, on s intéresse à la topologie parallèle à cause de ces multiples avantages déjà évoqués. C est donc dans ce cadre que nous allons désormais explorer les différentes topologies envisageables. L analyse du comportement électrique des différentes architectures candidates nous permettra ainsi d établir un bilan comparatif et un choix de structures dont le contrôle et la gestion seront étudiés au chapitre Structure directe (zéro degré de liberté) Cette structure consiste à interconnecter chaque source directement à la charge via le bus DC (Fig.2.16). Charge électrique Fig.2.16 Schéma de principe de la structure directe (zéro degré de liberté) Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 64

65 En régime permanent, la pile fournit la puissance nécessaire à la charge tandis que le banc de super-condensateurs demeure chargé à la valeur de tension résultant de ce point de fonctionnement. En régime transitoire, le principe consiste à profiter de la différence entre la valeur d impédance de la pile et celle du super-condensateur ; le but est que les courants transitoires de la charge circulent préférentiellement dans les super-condensateurs plutôt que dans la pile à combustible. Pour rendre la solution intéressante, il faut donc que, dans la gamme des fréquences visées (des centaines de mhz jusqu aux hautes fréquences), l impédance du banc de super-condensateur soit nettement inférieure à celle de la pile. Or, si les deux éléments mettent en jeu des mobilités ioniques, la pile le fait sur tout son domaine de fréquence d utilisation (c est d ailleurs à haute fréquence que l on mesure la résistance de membrane) alors que dans le super-condensateur ce phénomène électrolytique n est visible uniquement que dans le domaine des mhz (à plus haute fréquence, les ions demeurent immobiles et ne dissipent pas d énergie) [GALO-27]. Si cette considération physique est favorable à l écart souhaité des impédances, il faut néanmoins constater que le banc de super-condensateur doit être dimensionné non seulement vis-à-vis de son énergie stockée mais aussi vis-à-vis de sa résistance interne. On voit par là que le dimensionnement des constituants est encore plus fortement couplé et contraint par cette solution. Dans les applications ayant une charge peu fluctuante, on peut donc être amené à augmenter la capacité du super-condensateur ou le nombre de branches en parallèle pour accéder à une valeur de résistance interne suffisamment faible. Dans le cas contraire, des pertes ohmiques non négligeable des s (par rapport à la ) induisent une transmission partielle des transitoires du courant de la charge vers la pile et donc les spécificités de la ne peuvent être totalement assurées ainsi que la gestion d énergie n est guère optimale Concernant la valeur de C, proprement dite, nous avions vu qu elle était réglée par l énergie maximale que doit pouvoir restituer l élément de stockage et ses niveaux de tension haut et bas. Dans le cas du couplage direct, il n y a plus de latitude pour choisir ces deux niveaux puisqu ils correspondent à la tension à vide de la pile et à sa tension nominale. Sachant les aléas de fonctionnement des piles ainsi que les phénomènes de vieillissement concourent à une baisse de la tension par rapport au comportement nominal sain, il est évident que l excursion de tension ne sera pas optimale et que donc la garantie de l énergie maximale disponible en toutes circonstances conduit à un surdimensionnement initial de la capacité C du banc de super-condensateurs. En dernier lieu, l énergie disponible à la restitution et celle au stockage sont désormais étroitement corrélée au point de fonctionnement de la. Cette contrainte de gestion naturelle peut donc également induire un surdimensionnement de la capacité. Concernant la mise en route du groupe életro-générateur, il faut remarquer que la tension à vide d une pile à combustible est sa tension maximale alors que l absence d énergie dans le module correspond à la tension nulle. On voit donc qu il va falloir prévoir une procédure de démarrage. Cela peut consister en une résistance de limitation de courant de pré-charge ou en un hacheur auxiliaire utilisé uniquement pour amener progressivement la tension des super-condensateurs à la tension à faible courant de la pile. Une dernière solution consistant à maîtriser le courant du stack par le contrôle de son débit d hydrogène n est pas totalement exclue même si les expériences actuelles à alimentation en hydrogène réduite révèlent des densités de courant inhomogènes à la surface des cellules et des dégradations dans les zones à faibles densité de courant [KUND-27]. La première solution permet d imposer la tension aux bornes de la pile à combustible avec une constante de temps élevée (de plusieurs secondes). Du point de vue de la gestion des défaillances réversibles et temporaires, nous venons de voir ( 2.3.2) que cette solution est particulièrement intéressante car elle réduit la densité de courant des cellules lors d une défaillance. Du coup, les pertes cellulaires ne sont pas ou peu augmentées (la baisse de la densité de courant compense l augmentation de la surtension). Par ailleurs, dans le cas d un noyage (anomalie nécessitant la réaction la plus rapide), la réduction de la densité de courant donc de l eau produite à la cathode concourt à ramener le stack vers une sortie de noyage. De par une structure de conversion simplifiée, un contrôle inexistant (car la gestion d énergie opère naturellement) et un bon comportement en cas de défaillance temporaire, l architecture directe est une structure candidate intéressante. Son inconvénient réside dans ses avantages, car en supprimant tout degré de liberté, la démarche de conception peut conduire à un système volumineux, onéreux et n offrant pas de fonctionnalités supplémentaires. On ne peut donc conclure qu à champ d action limité pour cette solution Structure indirecte à un convertisseur (un degré de liberté) Cette structure consiste à associer un convertisseur statique à l une des deux sources de l électro-générateur afin d augmenter la souplesse de conception et de gestion d énergie. Dans ce cas, nous pouvons donc distinguer deux solutions, à savoir : Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 65

66 - la structure indirecte à un convertisseur connecté à la. - la structure indirecte à un convertisseur connecté au Structure indirecte à un convertisseur connecté à la Elle consiste à conserver la connexion directe des s à la charge afin de dériver directement la puissance transitoire de celle-ci vers l organe de stockage et d interfacer la au moyen d un convertisseur unidirectionnel en puissance comme montre la figure Le filtrage ayant eu lieu en aval, ce convertisseur statique n est donc dimensionné que pour la puissance filtrée et non la puissance crête exigée par la charge. Le principe de gestion d énergie de cette solution repose sur un contrôle lent de la consigne de puissance du convertisseur interfacé avec la pile. De ce fait, la répartition des puissances s effectue correctement quelles que soient les impédances des deux constituants du groupe électrogène. Cette réalisation est facile à obtenir quelle que soit la puissance. DC DC Charge électrique Fig.2.17 Schéma de principe de la structure indirecte ayant convertisseur unique connecté à la (un degré de liberté) L avantage de disposer un convertisseur entre les s et la est d autoriser la fonction pré-charge de ceux-ci sans perturber le fonctionnement de la. En revanche, cette fonctionnalité implique la réalisation d un hacheur abaisseur. Or comme nous avons déjà vu que la est une source de puissance délivrant une tension assez réduite et à dynamique importante, cela signifie que la tension de la charge doit être faible (et son courant important). Ajoutons que le niveau du module de s doit lui aussi varier de manière significative pour que sa capacité C reste économiquement viable à puissance disponible donnée. Ce second impératif implique une tension de charge encore plus faible lors de certains transitoires. Ceci est antinomique avec le choix de la majeure partie des applications de puissance qui privilégie la montée en tension pour réduire les pertes Joule. Le seul moyen de rendre cette solution acceptable est d envisager un circuit de pré-charge auxiliaire et de concevoir un hacheur élévateur. Toutefois, d un point de vue efficacité énergétique, force est de remarquer que toute l énergie convertie sous forme électrique doit subir les pertes inhérentes au convertisseur de puissance. On peut donc conclure à la portée limitée de cette solution Structure à un convertisseur connecté au s La est cette fois-ci directement connectée à la charge tandis que l élément de stockage (s) est associé aux deux sources précédentes par un convertisseur d interface bidirectionnel en puissance, comme montre la figure L intérêt de ce convertisseur est qu il n est utilisé que de manière intermittente, puisqu il assure l adaptation des grandeurs électriques (tension / courant) entre les s et la charge. Une partie de la puissance délivrée par la pile transite directement vers la charge sans subir les pertes inhérentes au fonctionnement d un convertisseur statique. Par ailleurs, comme précédemment l énergie disponible (à la décharge ou à la recharge) est désormais découplée la puissance délivrée par la pile et peut être contrôlée par le pilotage du système. En dernier lieu, le convertisseur peut servir de circuit contrôlé pour précharger le module de s. Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 66

67 DC DC Charge électrique Fig Schéma de principe de la structure indirecte ayant convertisseur unique connecté aux s (un degré de liberté) Le principe de gestion d énergie repose sur une régulation du système par l ensemble s / convertisseur rejetant les perturbations rapides de la charge. Cette réalisation nécessite une mise en œuvre aboutie pour profiter pleinement de la bande passante potentielle qui offre l interface de puissance. D un point de vue industriel et opérationnel, la défaillance du convertisseur de puissance peut ne pas mettre en péril la fonction principale qui est la fourniture de puissance de la à la charge. Bien évidemment celle-ci s opérera en mode dégradé avec un système électrique éventuellement sous-dimensionné (par rapport aux puissances crêtes). Par ailleurs, la est contrôlée en tension ce qui est favorable lors de la survenue d une défaillance de celle-ci. En revanche, cette solution subie le même inconvénient que les deux solutions précédentes : la tension délivrée à la charge est forcément fluctuante Structure à deux convertisseurs (deux degrés de liberté) Elle consiste à associer à chaque source de l électro-générateur un convertisseur statique comme montre la figure 2.2. Elle possède donc deux degrés de liberté. D un point de vue conception, le nombre de cellules empilées dans le cœur de pile n est plus lié à celui du nombre de super-condensateurs élémentaires du module. De même la capacité de celui-ci n est pas non plus en corrélation étroite avec la surface des cellules. Du point de vue de la gestion d énergie, la puissance instantanée de la n induit pas les capacités de stockage ou de restitution des s et la dynamique de contrôle imposée à chaque convertisseur va permettre de régler le partage des puissances au gré des sollicitations de la charge. Du point de vue de la réalisation, le convertisseur dédié à la est unidirectionnel et généralement élévateur de tension. Celui dédié aux s est quant à lui bidirectionnel en puissance et est en général un hacheur abaisseur / élévateur de tension selon le mode de fonctionnement (récupération / fourniture d énergie). DC DC DC DC Charge électrique Fig Schéma de principe de la structure à deux convertisseurs (deux degrés de liberté) Cette solution semble la plus intéressante par sa richesse, car elle permet un contrôle total de tous les composants : répartition de la puissance instantanée de la charge, état de charge des s et régulation de la tension délivrée à la charge. En revanche, elle doit toutefois supporter les inévitables pertes associées à chaque convertisseur statique. En particulier, la puissance délivrée par la source primaire () est continuellement diminuée par les pertes de son convertisseur. Par ailleurs, du point de vue industriel, l augmentation du nombre de composants augmente le coût, la possibilité de pannes et de Chapitre 4 : Pilotage d un électro-générateur hybride Page 67