Nos recherches consistent à gérer, optimiser la production de l’énergie dans les systèmes complexes hybridés utilisant des sources renouvelables d’énergie intermittentes et stochastiques, des systèmes de stockages (Electrochimique, Chimique, Thermique, Hydraulique…) pour alimenter diverses charges électriques ou thermiques (mobilité, résidentiel, tertiaire, industriel). Pour assurer ces recherches, il nous faut comprendre les phénomènes multi-physiques, modéliser les interactions entre les phénomènes, développer des approches numériques pour la résolution de ces phénomènes et valider expérimentalement à travers les plateformes technologiques la ou les solutions résultante(s). L’objectif final étant la conception de systèmes complexes optimisés pour une problématique bien définie. Nous avons une approche à l’échelle du bloc technologique et du système énergétique global mais nous n’intervenons pas à l’échelle du matériau.
Trois axes scientifiques ont été déclinés pour structurer notre recherche sur la période 2024-2028, qui s’inscrivent de manière complémentaire dans la politique scientifique du CNRS (FR H2 ou GDR SEEDS) :
- Axe 1 - La Prévision de la ressource énergétique intermittente
- Axe 2 - Les Systèmes de production et de stockage d’énergie à sources renouvelables
- Axe 3 - La Problématique des réseaux insulaires et l’intégration des EnR au sein de ces réseaux
Les objectifs scientifiques de l’Axe 1 concernent les modèles prédictifs des ressources intermittentes destinés à être intégrés dans les systèmes de gestion d’énergie (EMS) et de puissance (PMS) des micro-réseaux. Nous développons les thèmes suivants :
- L’application et la validation de modèles prédictifs du rayonnement solaire à court et moyen horizon temporel sur des sites présentant des caractéristiques météorologiques différentes ;
- L’utilisation de méthodes de clustering pour regrouper des sites de variabilités solaires identiques afin de permettre d’utiliser des données d’un site et de les appliquer à d’autres sites permettant ainsi d’effacer la nécessité de disposer d’un long historique de données solaires ;
- Le développement de nouveaux modèles prédictifs aisément intégrables dans les EMS et PMS ;
- Le test de ces modèles en conditions réelles sur la plate-forme PAGLIA ORBA et l’étude de l’amélioration apportée par l’utilisation de ces modèles sur les performances des EMS.
Les objectifs scientifiques de l’Axe 2 seront directement en prise avec les deux plateformes de l’équipe.
- Concernant la chaine H2 (Plateforme MYRTE), un système de cogénération de cette complexité et de cette envergure nécessite la programmation d’un EMS (Energy Management System) capable d’analyser les différents potentiels thermiques et contraintes électriques pour maximiser les rendements. De même, le niveau de charge (SOC) d’hydrogène nécessite aussi un outil de gestion afin d'optimiser l’état de charge de l’hydrogène sur plusieurs journées. Il s’agira alors d’exprimer le plus justement la notion d’optimisation de rendement à travers une cogénération simultanée d’électricité, de chaleur et d’hydrogène. En effet, il est peu recevable de comparer l’énergie sous forme électrique, sous forme de chaleur ou à travers le potentiel énergétique de l’hydrogène. La notion de pertes d’énergie doit intégrer les pertes thermiques mais également les créations d’entropie, irréversibilités se réalisant lors de changement d’état des fluides lors des opérations unitaires comme la détente, la compression et lors des pertes de charges. Il s’agira d’assurer la modélisation des pertes et destruction d’exergie sur les opérations unitaires relevant des composants de MYRTE avec comme objectif la minimisation de ces pertes et destructions permettant de maximiser l’efficacité des opérations unitaires et de pouvoir comparer diverses formes d’énergie (thermique, électrique et mécanique) sur le même plan thermodynamique par une prise en compte simultanée des 1er et 2ème principes de la thermodynamique. Il s’agira ensuite d’assurer une optimisation multicritère de la chaine H2 de conversion d’énergie intégrant le choix d’un critère d’optimisation purement thermodynamique relevant de la minimisation des irréversibilités. La cogénération simultanée d’électricité, d’hydrogène et de chaleur posant le problème de l’expression d’un critère global de rendement .
- Concernant le Micro-Réseau PAGLIA-ORBA, en lien avec l’Axe 1, l’influence de la précision (encadrement) des modèles prédictifs sur les performances des EMS et PMS sera étudiée et vérifiée expérimentalement sur ce micro-réseau. Nous poursuivrons les recherches sur le développement d’algorithmes de gestion d’énergie pour des micro-réseaux regroupant production intermittente et moyen de stockage et les intégrerons au sein de l’EMS de PAGLIA ORBA. Nous étudierons le couplage de plusieurs moyens de stockage d’énergie de caractéristiques différentes. Ce couplage nécessite la mise en place d’une architecture d’algorithmes de contrôle complexes, généralement organisés hiérarchiquement : un algorithme optimise le fonctionnement à long terme (EMS) et d’autres algorithmes qui pilotent les équipements en temps réel (PMS). On concevra puis validera expérimentalement un ou plusieurs algorithmes de gestion en temps réel en se concentrant sur les problématiques liées au couplage de différentes technologies de stockage. Avec les tarifs actuels d’achat et vente de l’électricité, l’utilisation de micro réseaux utilisant PV et stockage est rarement justifiée économiquement. Nous étudierons l’influence de tarifs dynamiques sur les performances des algorithmes de gestion d’énergie. Enfin, le tracker à haute précision présent sur la plateforme (pour modules CPV multijonction) a été modifié pour y installer d’autres technologies : 4 sous-systèmes PV indépendants : CPV et mSi bifacial sur une voile et mSi et pSi mono faciaux sur l’autre voile. Ces systèmes sont connectés indépendamment au micro-réseau électrique et entièrement instrumentés (mesures électriques et météo). Nous comparerons (en partenariat avec l’Université UNISINOS, Brésil) le comportement des modules et leur sensibilité aux paramètres météorologiques et d’état du ciel.
Les objectifs scientifiques relevant de l’Axe 3 reposeront sur une approche de développement d’une stratégie d’optimisation multi-objectifs pour le déploiement d’une chaîne PV-Hydrogène (MYRTE) sur des territoires insulaires. Ces travaux ont pour objectif la conception d’une chaîne logistique de l’hydrogène HSC (Hydrogen Supply Chain), à travers la mise en place d’infrastructures pour la production, le stockage, le transport et la distribution de l’hydrogène. Il s’agira ainsi de proposer un cadre méthodologique pour aborder le problème de conception de la HSC de manière à dresser une formulation multi-objectif afin d’obtenir un ensemble de solutions de compromis ou front de Pareto, en optimisant trois objectifs en même temps : le coût journalier total, le potentiel de réchauffement global et un critère de sécurité basé sur un indice de risque. L’utilisation de méthodes stochastiques et des algorithmes génétiques en particulier (notamment NSGA II, Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) pour l'optimisation de la HSC, bien adaptés pour gérer les problèmes d'optimisation multi-objectifs constituera une voie à explorer en combinaison avec des outils d’aide à la décision multicritères (type TOPSIS). De manière complémentaire, sur le réseau électrique, il s’agira d’identifier les profils de consommation type (Hôtel, résidentiel, tertiaire, industrie) en aval des postes sources, d’assurer la modélisation du réseau électrique insulaire et d’identifier les nœuds de flexibilité pour un positionnement de pack PAC H2 et batteries (ANR HYLES).
Une dernière approche relève du développement d’une stratégie d’optimisation multi objectifs pour atteindre la neutralité carbone à l’échelle de la Corse à l’horizon 2050. Ainsi, Il s’agira de benchmarker des modèles d'optimisation type EOLES_elecRES General Algebraic Modeling System (modèle de répartition et d'investissement qui minimise les coûts annualisés de production et de stockage d'électricité, y compris le coût de connexion au réseau) permettant de répondre aux différentes interrogations relevant du mix énergétique décarboné. Ces modèles maximiseront la sécurité, minimiseront l’impact environnemental et minimiseront le coût du système considéré (système électrique ou système énergétique dans son ensemble) en assurant l'équilibre offre/demande à chaque pas de temps pendant une période minimale d’une année tout en respectant les principales contraintes technologiques et opérationnelles. Plusieurs solutions optimales seront projetées en fonction de différents scénarios liés à la fois aux conditions météorologiques, aux coûts, au profil de demande énergétique et de disponibilité des technologies et du potentiel d’installation de ces technologies. Il s’agira aussi d’identifier de manière dynamique, la disponibilité et le facteur carbone de l’énergie issue de l’interconnexion avec l’Italie à travers les câbles SACOI et SARCO. Par conséquent, l'importance de la robustesse des modèles et des input face aux incertitudes sera au centre de la méthodologie utilisée, ainsi que de son optimisation.
Responsable du Projet ENR : PR Christian Cristofari (cristofari_c@univ-corse.fr)
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La mise en place et le développement de la Plateforme Technologique MYRTE - Mission hYdrogène Renouvelable pour inTégration au Réseau Electrique - a permis de renforcer nos efforts de recherche sur les questions d’hybridation de différentes sources électriques (sources RENE) et de stockage. En effet, MYRTE hybride un générateur photovoltaïque d’une puissance de 560 kWc (2240 modules TENESOL 250 Wc couplés à 28 onduleurs SMA de 17 kW triphasés) avec une chaîne hydrogène constituée d'un premier électrolyseur de 50 kW-Tranche 1 (10 Nm3/h H2 - 5 Nm3/h O2), d’un deuxième électrolyseur de 57 kW-Tranche 2 GreenBox® (13 Nm3/h H2 – 11,5 Nm3/h O2), d’un stockage de gaz H2 (2000 Nm3 @35 bars) et O2 (1000 Nm3 @35 bars), d'une pile à combustible de 100 kWe-Tranche 1 et d’une deuxième pile à combustible de 50 kWe-Tranche 2 GreenBox®. Ce couplage représente une « première mondiale » en termes d’hybridation de puissances installées. La plateforme a récemment (2023) intégré de nouveaux équipements qui constituent la Tranche 3 de systèmes technologiques installés. Il s’agit de :
- Une pile à combustible de technologie hydrogène-air de 100 kW ;
- Un système de stockage par batterie Li-ion de 2´50 kWh (2´40 kW de puissance maximale de charge/décharge);
- Une machine à adsorption d’une puissance nominale de 16 kW.
- Une station hydrogène (Compresseur, unité de purification du gaz, 200 L de stockage sous 450 bar, distributeur 350 bar) et un véhicule hydrogène.
Un code de calcul a été développé, ORIENTE®- Optimization of Renewable Intermittent Energies with hydrogeN for auTonomous Electrification qui a fait notamment l’objet d’un dépôt de brevet en France. Il simule la répartition des flux d’énergie au cours du temps entre les différents sous-systèmes et intègre les comportements caractéristiques de ces sous-systèmes. Le code dans sa version définitive a été validé par le Laboratoire LITEN du CEA et le laboratoire LAPLACE partenaires. Le code ORIENTE®, permet de simuler et d’optimiser des systèmes hybrides ENR/H2 de façon précise et offre beaucoup plus de liberté dans le choix de l’optimisation des paramètres ou de la stratégie des flux énergétiques qu’un autre logiciel de type TRNSYS®. ORIENTE® a nécessité le codage de l‘ensemble des modèles pour chaque sous-système. Son objectif est alors d‘estimer tous les couples (PPV : Puissance PV installée, QH2 volume de stockage hydrogène) répondant sans défaillance (Loss of Load Probability = 0%) à la contrainte de charge imposée. Le logiciel cherche le système optimum pour une puissance PV donnée, puis incrémente celle-ci. Les bornes de cette incrémentation sont définies par l‘utilisateur. Pour chacune des simulations, nous connaissons les puissances des composants à installer ainsi que les flux énergétiques et de gaz transitant par ces mêmes composants. Il permet donc d’analyser les performances du système, d’étudier la gestion des différents flux qui le constitue et enfin de simuler l’évolution des gaz stockés selon les hypothèses de fonctionnement fixées afin de valider la contrainte imposée : assurer une charge donnée (écrêtage sur le réseau ou lissage de la production photovoltaïque). Enfin, Le code ORIENTE® offre des possibilités de simulation/optimisation décuplées par rapport aux logiciels existants sur le marché (HOMER®, TRNSYS®, PVSYST®, RETSCREEN® etc...).