Laboratoire Sciences Pour l'Environnement | CNRS - Università di Corsica
Structuration de la recherche  | Energies Renouvelables
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Notre objectif scientifique est de modéliser, d’optimiser des blocs technologiques d’une chaîne énergétique intégrant un ou des système(s) de stockage, des sources renouvelables d'énergie et des charges qu'elles soient thermiques ou électriques. Il s'agit de développer des algorithmes de gestion des flux énergétiques (en prédisant à divers horizons les intrants et extrants du système afin de mieux décider les actions à mener) et permettant ainsi une hybridation optimisée de systèmes ENR. Nous pouvons projeter une optimisation énergétique en mode "îloté" ou en mode "connecté réseau" tout en intégrant dans cette dernière configuration les désidératas de l'opérateur électrique pour une stabilité du réseau électrique et une réponse aux appels d'offres de la CRE. Il s'agit ainsi de répondre aux fonctions de lissage de production PV, d'écrêtage des pointes de consommation ou de production PV garantie.
Dans ce cadre, l’étude des ressources énergétiques devient absolument nécessaire et ce pour une gestion optimisée des différents flux énergétiques et du stockage de l’énergie : étude statistique, développement de corrélations et de modèles, interprétation physique des phénomènes, utilisation de méthodes d’intelligence artificielle, étude des liens pollution atmosphérique-rayonnement solaire, prédiction à différents horizons. Cette recherche scientifique permettra d’implémenter des outils scientifiques de prédiction des ressources sur les chaînes hybridés.
Notre recherche scientifique est donc positionnée à la fois à l’échelle du système énergétique par une approche algorithmique de gestion des flux énergétiques, à l’échelle des blocs technologiques par une approche de modélisation, de simulation et d’optimisation. Cela nécessite la compréhension des phénomènes physiques (multi-physique), la modélisation des interactions entre les phénomènes et une approche numérique pour la résolution des phénomènes. Les PFTs "MYRTE" intégrant le vecteur de stockage H2 et "Paglia-Orba" intégrant du stockage mécanique, hydraulique, électrochimique, chimique ... et qui est un micro-grid permettent la validation à l'échelle 1 de nos approches d'optimisation.

Notre démarche assurant le continuum Recherche Fondamentale-Ingénierie-Technologie dans l'INSIS du CNRS.

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La mise en place et le développement de la Plateforme Technologique MYRTE - Mission hYdrogène Renouvelable pour inTégration au Réseau Electrique - à hauteur de près de 25M€ nous a permis sur ce dernier quinquennal de renforcer nos efforts de recherche sur ces questions d’hybridation de différentes sources électriques, sources RENE et de stockages. 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 électrolyseur de 50 kW-Tranche 1 (10 Nm3/h H2 - 5 Nm3/h O2), d’un 2ème 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 2ème pile à combustible de 50 kWe-Tranche 2 GreenBox®. Ce couplage présente une « première mondiale » en termes d’hybridation de puissances installées.

Sa configuration actuelle est un des premiers résultats que nous avons obtenus par le projet PEPITE[1] de l’ANR PAN’H. L’objectif scientifique du projet PEPITE retenu par l’ANR en 2008, achevé en 2011, avait pour but de démontrer la faisabilité de la filière « électrification hybride EnR – H2 » comme solution pour la gestion des énergies renouvelables intermittentes, démonstration portée conjointement par les laboratoires LITEN du CEA, LAPLACE UMR 5213 de l’INPT, le Centre Energétique et Procédés de l’Ecole des Mines Paris et ARMINES et la société Hélion Hydrogen filiale d’AREVA. Ce projet nous a permis de simuler et d’optimiser un système constitué d’une centrale photovoltaïque et d’une chaine hydrogène. Chacun des sous-systèmes ayant été modélisés et associés. Des algorithmes de pilotage ont été imaginés et testés théoriquement. La conception et le dimensionnement de MYRTE sont donc issus des résultats de l’ANR PEPITE. Cette expérimentation est issue de nos travaux et compétences développés depuis plusieurs années au sein de l’équipe : la modélisation, simulation et optimisation de systèmes énergétiques complexes pour l’alimentation des sites isolés, et la problématique de l’interconnexion de sources renouvelables intermittentes sur les réseaux électriques.

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 du projet. 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®. Le code numérique 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...).

Il a été question sur ce quinquennal de valider et d’enrichir le développement de ce code algorithmique de pilotage des systèmes complexes et ce à travers, à la fois différents programmes de recherche tels que l’Horizon 2020 « TILOS » « Technology Innovation for the Local Scale, Optimum Integration of Battery Energy Storage » et aussi à partir de l’instrument hybridé MYRTE. Plusieurs objectifs que l’on retrouve sur les différents systèmes hybridés étudiés ont été déclinés et nous présentons ici ceux relevant spécifiquement de la chaîne hybridée MYRTE.

  • Objectif 1 - Caractériser les différents sous-systèmes tels que la centrale photovoltaïque, les électrolyseurs, les piles à combustible, le stockage des gaz, la gestion de la chaleur, le contrôle-commande, le système d’information- acquisition de données ainsi que de caractériser leur vieillissement.
  • Objectif 2 - Affiner les modèles des sous-systèmes tels que la centrale photovoltaïque, les électrolyseurs, les piles à combustible, les convertisseurs de puissance, la gestion de la chaleur, les auxiliaires. Tester la robustesse de ces modèles en les validant par les mesures effectuées, de valider le pilotage du système en travaillant sur les aspects dynamiques (étude de phénomènes transitoires, temps de réponse des sous-systèmes)…
  • Objectif 3 - Evaluer réellement à l’échelle 1, de la capacité technologique du système hybridé PàC-PV-chaîne hydrogène, à travers un algorithme de gestion des flux optimisé, à répondre à différentes fonctions telles que l’écrêtage de pointes de consommation, le lissage de production, la garantie de production PV.
  • Objectif 4 - Evaluer la pertinence économique du couplage PàC-PV-chaîne hydrogène à travers une première approche technico-économique.
  • Objectif 5 - Anticiper sur l’identification d’outils prédictifs performants de la ressource pour une gestion optimisée du système après implémentation de ces modèles.

 


[1] Power Study And Experimentation for the Intermittent Energy Management using Electrochemical Technologies

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A noter aussi que nous travaillons aussi depuis la création du laboratoire sur l’intégration de sources renouvelables dans le bâtiment à travers une approche smart-building et après plusieurs années d’expérience dans ce domaine et plusieurs capteurs développés, notre Laboratoire fait référence au niveau international puisqu’il représente les Laboratoires Français en Europe intégré au Consortium Europeen COST Action TU1205
BIST « Building Intégration of Solar Thermal Systems » [http://www.cost.eu/COST_Actions/tud/Actions/TU1205].

II s'agit d’utiliser la recherche sur les PFT PO et MYRTE pour sa valorisation dans les « smart building »  afin de concevoir des bâtiments intelligents en étudiant la faisabilité de l’intégration des « briques énergétiques » comprenant moyen de production, de stockage et de pilotage intelligent approprié.
Par conséquent, Il a été question sur ce dernier quinquennal de développement de code algorithmique de pilotage des systèmes complexes et ce à travers, à la fois différents programmes de recherche tels que l’Horizon 2020 « TILOS » « Technology Innovation for the Local Scale, Optimum Integration of Battery Energy Storage » et aussi à partir de l’instrument hybridé MYRTE. Plusieurs objectifs que l’on retrouve sur les différents systèmes hybridés étudiés ont été déclinés et nous présentons ici ceux relevant spécifiquement de la chaîne hybridée MYRTE.

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Participation à des réseaux scientifiques

• Membre du GdR HysPàC

• Membre du GdRI « SINERGIE » CNRS-NTU Singapour -

• Membre du « Management Committee » du COST-European Cooperation in Science and Technology - Action TU1205 « Building Integration Solar Thermal Systems » Organisation « Meeting Research » Ajaccio, 27-28 mars 2014

• Co-fondateur et membres du GIS « MYRTE » intégrant le CNRS, l’UDC, le CEA et AREVA SE

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Implication dans des projets nationaux ou internationaux

• ANR SEED DryCSP « Dry Cooling and sub-cooling of Concentrating Solar Power processes » 2011, 48 mois, Projet : 1,994M€, UMR : 249,460K€.

• HY3 –KIC INNO « nouvel directive Européenne réservoir H2 », 2011, 36 mois, Projet de 3.8 M€, UMR : 110 K€.

• EQUIPEX (Investissement d’Avenir) : DURASOL – « test de l’influence climatique et environnementale sur le vieillissement des composants de systèmes solaires », 2013, 88 mois, Projet : 6090 k€, UMR : 378k€.

• H2020 Low Carbon Energy Local / small-scale storage

LCE-08-2014 : « Technology Innovation for the Local Scale, Optimum Integration of Battery Energy Storage » – TILOS Février 2015, 48 mois, projet : 14.008.536 €, UMR : 408 900 €

 

Page mise à jour le 27/03/2019 par Paul-Antoine Santoni