Modélisation dynamique et multi-physique d’un système énergétique complexe couplant une centrale photovoltaïque à une chaîne hydrogène Plateforme MYRTE

Hydrogen production from Renewable Energy Sources (RES) is one of the major pathway to achieve transition toward a zero-carbon emission energy model. The worldwide relentless growth of RES and the strong socio-political request for new policies to address climate change, demand a paradigm shift from controlled and centralized electricity generation to a variable, diffuse and decentralized system. In this regard, and in order to study the deployment of hydrogen in an insular context as an energy storage solution for RES, the MYRTE platform was created in 2012 as a collaboration between the University of Corsica, the CNRS, AREVA SE and the CEA. This platform, composed of a photovoltaic array associated with a hydrogen chain, enables the storage and deferred production of electricity and heat using hydrogen as an energy carrier. This thesis addresses with the development and validation of multi-physics models capable of describing the dynamic response of the platform at the minute or second scale. A detailed understanding of a real-size facility allows testing the implementation of predictive control algorithms in order to optimize the energy exchanges between the platform subsystems. In order to do this, we developed a SIMULINK® model, capable of not only solving all the electrochemical and thermal equations, but also simulating the equipment’s sequential decision logic by using the STATEFLOW® environment. The strategy used for the parameters identification is presented in detail so that it can be applied to similar systems. The developed SIMULINK® model has made it possible to simulate the hybridization of the MYRTE platform with an adsorption cooling process, in order to study the recovery of the heat produced by the hydrogen chain for trigeneration purpose (electricity, heat and cold production). This model offers promising prospects, such as the integration of other electrical, thermal and chemical storage solutions and the implementation of solar resource prediction models.La production d'hydrogène à partir des Énergies Renouvelables (EnR) constitue un véritable pilier pour la construction d'un modèle énergétique à zéro émission de carbone. Le développement croissant des EnR dans le monde et la forte demande sociopolitique de nouvelles stratégies de lutte contre le dérèglement climatique, exigent un changement de paradigme d’une production d’électricité maîtrisée et centralisée vers un système variable, diffus et décentralisé. C'est dans cette perspective et dans le but d'étudier le déploiement de l'hydrogène comme solution de stockage des EnR dans un contexte insulaire, que l'Université de Corse, le CNRS, AREVA SE et le CEA ont inauguré en 2012 la plateforme technologique MYRTE. Ce dispositif, composé d’une centrale photovoltaïque associée à une chaîne hydrogène, permet le stockage et la production différée d’électricité et de chaleur en passant par l'hydrogène comme vecteur énergétique. Cette thèse traite du développement et de la validation de modèles multi-physiques capables de décrire la réponse dynamique de la plateforme à l'échelle de la minute ou de la seconde. Une compréhension détaillée d'une installation de taille réelle permet de tester la mise en place des algorithmes de contrôle prédictif de façon à optimiser la gestion de l’énergie échangée entre les différentes briques technologiques. Pour ce faire, nous avons développé un modèle SIMULINK® permettant non seulement de résoudre l'ensemble des équations électrochimiques et thermiques caractérisant les différents sous-systèmes, mais également d’émuler la logique de contrôle des équipements à travers l’implémentation de diagrammes de flux STATEFLOW®. La stratégie d'identification des paramètres des modèles proposés est présentée en détail afin de pouvoir l'appliquer à des systèmes similaires. Le modèle développé a permis de simuler l'hybridation de la plateforme MYRTE avec un procédé de rafraîchissement par adsorption, et ce dans le but d'étudier la valorisation de la chaleur produite par la chaîne hydrogène pour des applications de trigénération énergétique (électricité, chaleur et froid). Des voies d'exploration scientifique pourront être éclairées grâce au modèle SIMULINK® de la plateforme MYRTE, notamment l’intégration d'autres moyens de stockage électrique, thermique et chimique et l’implémentation de modèles de prédiction de la ressource solaire