Development of a design tool for mixed electricity / hydrogen energy micro-grids : ecological impact estimated by life cycle analysis

Pour répondre aux enjeux environnementaux, le développement de sources d’énergie primaires peu émettrices de gaz à effet de serre est une nécessité. En ce sens, des technologies permettant la génération d’électricité peu carbonée se sont développées durant ces 2 dernières décennies. En particulier, les technologies renouvelables connaissent un essor important avec une forte augmentation du nombre d’installations solaires photovoltaïques et éoliennes. Ces sources de production décentralisées entrainent le développement de systèmes de stockage permettant de pallier leurs intermittences et leurs fluctuations. Parmi les technologies de stockage énergétique disponibles, l’hydrogène apparait comme un candidat intéressant. La combinaison électrolyseur – stockage – pile à combustible est souvent reportée dans la littérature scientifique, mais il est aussi possible de brûler l’hydrogène plutôt que de le retransformer en électricité. L’objet de l’étude est un micro-réseau comprenant un générateur photovoltaïque, un stockage par batterie et un stockage hydrogène couplé à des brûleurs pour fournir de la chaleur et de l’électricité à un bâtiment isolé. Les travaux de cette thèse s’articulent en deux grandes parties. La première partie est une partie qui traite de la modélisation des différents éléments du micro-réseau. Les modèles techniques et économiques utilisés pour simuler le système sont présentés. En particulier, des modèles semi-empiriques sont développés pour deux technologies : un électrolyseur PEM et un réservoir d’hydrure métallique de type AB5. Ces modèles, obtenus par analogie électrique, s’appuient sur une base de données expérimentales obtenues à différentes conditions opératoires. Les différents paramètres des modèles sont obtenus par correspondance modèle/expérience. Les modèles techniques sont ensuite implémentés dans un outil de simulation que nous utilisons pour concevoir et optimiser le dimensionnement d'un microgrid. Dans un second temps, la question du dimensionnement des différents éléments du micro-réseau est abordée à travers deux cas d’étude. Le premier cas d’étude est un refuge de montagne isolé dans les Pyrénées. Nous supposons que le refuge est alimenté par trois sources d’énergie conventionnelles : le bois pour chauffer le bâtiment, le propane pour cuisiner et le diesel pour fournir de l’électricité. Nous proposons de fournir la totalité de cette énergie avec le micro-réseau étudié dans nos travaux. Le dimensionnement technico-économique du micro-réseau permet d’estimer le coût de l’énergie et de le comparer à une solution conventionnelle. Nous réalisons également une analyse de cycle de vie des éléments du micro-réseau. Cette analyse de cycle de vie a pour objectif de comparer les émissions de gaz à effet de serre émises par la fabrication et l’installation du micro-réseau avec les émissions de la solution conventionnelle « bois-propanediesel ». Le second cas d’étude porte sur une maison familiale isolée du réseau central dans la campagne Occitane. Nous réalisons un dimensionnement pour lequel les résultats des analyses de cycle de vie peuvent directement influencer le dimensionnement du micro-réseau. Nous montrons à travers différents choix de dimensionnement que l’optimum économique n’est pas nécessairement un optimum écologique. Ce cas d’étude a pour but de montrer qu’une analyse de cycle de vie, ou a minima une estimation de l’impact écologique d’une solution dimensionnée, offre des informations intéressantes d’aide à la prise de décision.To meet environmental challenges, the development of low-carbon energy production technologies is crucial. In this context, alternative energy resources are being utilized largely to generate power in recent years. In particular, solar power and wind energy are experiencing a significant growth. In order to overcome their intermittences and their fluctuations, energy storage solutions need to be developed. Among the energy storage technologies available, hydrogen appears to be an interesting candidate. More precisely, an electrolyzer combined with a hydrogen storage and a fuel cell is often studied to store and restitute electrical energy when needed. However, hydrogen can also be burned to provide space heating and cooking. The microgrid that we are studying is composed of solar panels, battery storage and hydrogen storage coupled with burners to provide heat and electricity to an isolated building. This work is divided in two parts. The first part focuses on the modeling of the microgrid. In particular, we develop semi-empirical models for two technologies: a PEM electrolyzer and an AB5 metal hydrid storage for hydrogen. An experimental plan is designed at varying operating conditions for both components. Once the experimental database obtained, we try to find adequate parameters for the models by fitting the model with experimental curves. The technical models are then implemented in a simulating tool that we use to conceive and optimize the sizing of a microgrid. Two case studies are explored in this work. The first one is an isolated mountain shelter in the Pyrenees. A mountain shelter energy can be supplied by three conventional sources: wood for space heating, propane for cooking and a diesel generator for electricity. We try to size a microgrid to provide all the energy needed for the shelter without conventional fuels. Then, we make a life cycle analysis to describe the environmental impacts of the microgrid by taking into account the four life stages that are manufacturing, transportation, use and end-of-life. The aim of the study is to compare the cost of energy and the amount CO2 emitted by the microgrid with the conventional “wood-propane-diesel” solution. The second case studied is an isolated family house in Occitania (French region) contryside. In this case, the environmental impacts of the microgrid will be a criterion of sizing. The results obtained shows that the most cost-efficient sizing is not necessarily the most ecological. The aim of the study is to show that the estimation of the amount of greenhouse gases emitted by a microgrid can be an interesting information for decision-making