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Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène en vue de leur couplage aux générateurs photovoltaïques

Rabih, Samer (2008) Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène en vue de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. (Contribution to the modelling of reversible electrolyser and hydrogen fuel cell for coupling to the photovoltaic generators.)

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Abstract

Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles, associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique unifiée exploitent la représentation en bond graph. Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces éléments  avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau électrique est enfin présentée. ABSTRACT : A response to concerns raised by an energy mix which mainly consists of exhaustible fossil fuels harmful to the environment is to gradually substitute them by renewable energy sources, including solar or wind power. However, these intermittent flow energies set a recovery problem. They are often the source of electricity which inherits their fluctuations, which requires a transport network and which is an energy carrier not easy to store. In this context hydrogen synthesized from this renewable electricity, storing, it is considered as a stock carrier promising for the future. Various components and electrochemical processes are associated with this perspective: electrolysers, fuel cells, associations of these two functions combined in the system or integrated into a unitized reversible component. Our work is set in this perspective. It contributed to the development of advanced models of electrochemical components of electrolyser or fuel cells type, integrating reversibility for the study of their coupling to the photovoltaic generators. The models developed following a unified energetic approach use bond graph representation. After an analysis of the energy context, a state of the art of electrochemical components coupling hydrogen and electricity is presented, particularly on electrolysers and regenerative or unitized reversible fuel cells. Then, after a reminder of the principles of the Bond Graph representation, we exploit this formalism to develop an energetic model of a reversible component "electrolyser and / or fuel cell" representative at macroscopic level of conversion reaction and dissipation phenomena, coupled in chemical, thermodynamic, electrical, thermal and fluid fields. Tests for characterization and validation conducted on small experimental devices are then described. They can illustrate the influence of operating parameters on the performance of these components. Finally, the Bond Graph model is used to study the modularity of components, including electrical and thermal imbalances in series or parallel associations of fuel cells or electrolysers. An architecture combining these elements with a photovoltaic generator to power an electric load or an electrical grid is finally submitted

Department or laboratory:Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie - LAPLACE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Astier, Stephan and Turpin, Christophe
Uncontrolled Keywords:Modélisation - Electrolyseur - Pile à combustible - Pile à combustible réversible - Générateur photovoltaïque - Bond Graph - Systémique. KEYWORDS : Modelling - Electrolyser - Fuel cell - Fuel cell reversible - Photovoltaic Generator - Bond Graph - Systemic
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:05 February 2009

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