Républiq que Algérien nne Démoc cratique et
publicité
Républiq
que Algérien
nne Démoccratique et Populaire
ﺤــــﺚ اﻟﻌﻠـﻤـــــــــﻲ
وزاررة اﻟﺘﻌـﻠـﻴــﻢ اﻟﻌﻌــﺎﻟــــﻲ و اﻟﺒﺤ
Ministère de l’Enseeignement Supérieur
S
et
e de la Reccherche Sciientifique
Universiité des Scien
nces et de la Technologie d’Oran
MOH
HAMED BOU
UDIAF
Faculté de
d Génie Electrique
E
Départem
ment d’Elecctronique
Spéciaalité : Electrronique
.
Option : Systèmes Photovoltaïq
P
ques
P
Présenté
pa
ar :
Melle : Achab Na
assira Pourr l’obtentiion du diplôme de Magister
M
e électronnique
en
Thème
Soutenu le 01 /07 / 2013
devant la commissioon d’exameen composéé de :
Presideent
: Mr. Hamidd Azzedine
Prrofesseur
US
STO-MB
Rapporrteur
: Mr. Boudgghene Stambbouli Aminee
Prrofesseur
US
STO-MB
Examin
nateur : Mr. Benchhouk Kheir-eeddine
Prrofesseur
Un
niv. Oran
ne
Examin
nateur : Mr. Mekkaakia Maaza Nasr-eddin
Prrofesseur
US
STO-MB
Examin
nateur : Mme. Daouud Soltana
M
MC-A
US
STO-MB
An
nnée univversitaire : 2012/20013
exÅxÜv|xÅxÇàá
Je remercie Dieu de m’avoir donné la volonté et le courage durant mes études et de
m’avoir aidé à accomplir ce modeste travail.
Je remercie sincèrement mon encadreur et professeur, Mr Boudghene Stambouli
Amine pour m’avoir encadré et dirigé pendant la période de ce mémoire et m’apporté tous les
renseignements nécessaire au bon déroulement de mes travaux de recherches.
Je tiens aussi à exprimer mes vifs remerciements à les membres du jury pour m’avoir
fait l’honneur de juré mon travail.
Mes remerciements iront aussi à Mr. Midoune Abdelhamid, Mme Hamada et Mme
Zerhouni F. Z pour m’avoir aidé et encouragé.
J’adresse également mes remerciements à ma famille et à tous ceux qui m’ont aidé de
prés ou de loin.
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T Åxá v{xÜá ÑtÜxÇàá
T àÉâá Åxá yÜ¢Üxá xà á‚âÜá
T àÉâá vxâå Öâ| Åx áÉÇà v{¢Üx
Résumé
La progression rapide de la demande énergétique mondiale et l’échéance des réserves
d’énergies fossiles favorise le développement des énergies renouvelables et nouvelles tel que
le photovoltaïque (PV) et les piles à combustibles (PAC) qui suivent, actuellement, une
croissance exponentielle. Leur développement parait comme une nécessité pour pouvoir
réduire la pollution environnementale tel que le rejet de polluants gazeux et de gaz à effet de
serre : CO, CO2, SOX, NOX, radiation et radioactivité, déchés solides, pluies acides, et
déplétion d’ozone qu’en train de perturber sérieusement la biosphère terrestre. Dans ce travail
de recherche pour l’obtention du diplôme de magister, nous proposons une méthodologie de
modélisation et de simulation comportementale d’un système hybride PV- Electrolyseur –
PAC de génération d’électricité propre à comparer avec un système classique composé d’un
reformeur et d’une PAC.
Un panneau PV, pour le premier système, fourni de l’électricité à un électrolyseur
assurant la production d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse de l’eau. L’hydrogène ainsi
produit, ensuite stocké dans des bouteilles est devient un carburant propre localement, et il est
présenté comme le combustible idéal de la PAC. Le deuxième système utilisant la technique
de reformage nécessite une entrée de gaz naturel, de gazoline ou d’éthanol. Nous discuterons
sur les avantages de gaz naturel par rapport aux autres fuels proposés.
L’étude a pour but de présenter les paramètres de conception du système générateur
d’énergie basé sur les matériaux inorganiques de grande disponibilité. Le sujet est proposé en
raison de la grande variété de ses applications potentielles, de sa compatibilité avec
l’environnement et de sa simplicité de fabrication (excepté pour le cas des piles à
combustible). Ces systèmes sont d’actualité et nous proposons la présentation de la
méthodologie de mise en œuvre pour sa réalisation. Nous essayerons de dégager les règles de
conceptions et d’optimisation permettant l’élaboration d’un générateur d’énergie de bon
rendement. L’étude rentre aussi dans le cadre d’une approche système qui consiste à étudier le
comportement dans sa globalité et à optimiser les différents composants auxiliaires.
Mot clés : énergies renouvelables, panneau photovoltaïque, pile à combustible, modélisation,
optimisation, simulation, système hybride, électrolyseur, reformeur, rendement.
Abstract
The rapid growth of global energy demand and timing of fossil fuel reserves promotes
the development of new and renewable energy such as photovoltaic (PV) and fuel cells
(PAC) following, currently growing exponentially. Development seems to be a necessity in
order to reduce environmental pollution such as the release of pollutants gaseous and
greenhouse gas emissions: CO, CO2, SOX, NOX, radiation and radioactivity, solid waste
material, acid rain and ozone depletion that being seriously threatens the terrestrial biosphere.
In this research for graduation magister, we propose a methodology for modelling and
behavioural simulation of a hybrid system PV - electrolysis - FC generation of clean
electricity compared with a conventional system consisting of a reformer and a PAC.
A PV panel to the first system supplied the electricity to an electrolyser ensuring the
production of hydrogen and oxygen by electrolysis of water. The hydrogen produced and
then stored in bottles is become a clean fuel locally, and it is presented as the ideal fuel cap.
The second system using the technique of reforming requires an input of natural gas, gasoline
or ethanol. We will discuss the benefits of natural gas relative to other fuels available.
The study aims to present the design parameters of the power generation system based
on inorganic materials for high availability. The subject is proposed because of the wide
variety of potential applications, its environmental compatibility, and simplicity of
manufacture (except in the case of fuel cells). These systems are current and we propose
methodology used for its realization. We will try to identify the rules of design and
optimization for the development of an energy generating good returns. The study also falls
within the framework of a system approach is to study the behaviour as a whole and optimize
the various auxiliary components.
Keyword: renewable energy, solar panel, fuel cell, modelling, optimization, simulation,
hybrid system, electrolyser, reformer, performance.
TABLE DES MATIERES
.
Résumé
Table des matières
I
Liste des figures
IV
Liste des tableaux
VII
Nomenclature VIII
Introduction générale ……………………….. ……………….………………….… 1
Chapitre I : Les systèmes hybrides
I.1. Introduction……………………………….. ………………………… …………
3
I.2. Description des différentes configurations d’un système hybride [1] …………...
3
I.2.1. Système hybride 1 : Photovoltaïque- Batterie – Diesel ....…….…..….………
3
I.2.2. Système hybride 2 : photovoltaïque-Batterie-pile à combustible (PAC) …….
4
I.2.3. Système hybride 3 : photovoltaïque- Electrolyseur-pile à combustible……… 5
I.3. Les systèmes hybrides PV-PAC existants…………………………… …...……..
6
I.4. Présentation générale ……..……………………………….. ……………………
8
I.5. Conclusion……………………………….………………………………… ……
8
Références bibliographiques
Chapitre II : Générateur Photovoltaïque
II.1. Introduction ……………………………………………………… ……………
11
II.2. Généralités sur l’énergie solaire………………………..………………………..
11
II.2.1. Description générale d'une cellule photovoltaïque…………………………... 11
II.2.2. Avantages et inconvénients……………… ………… ………… …………...
12
II.3. Modélisation de la production photovoltaïque……… …………….…………..
13
II.3.1. Cas idéal ……………… ……………………………………….…………..
13
II.3.2. Cas réel ……… ……………………………………......………….…………
14
II.4. Caractéristique I=f (V) d’une cellule solaire……… ……… …….……………..
15
II.5. Paramètres d’un générateur photovoltaïque ……… ……… …….…………….
16
II.6. Influence de la température et de l’ensoleillement ……… ……….……………. 18
II.6.1. Influence de l’ensoleillement …………………….……...………..…............
20
TABLE DES MATIERES
.
II.6.2. Influence de la température……… ……… …….……………. ..…………..
21
II.7. Groupement des cellules solaires……………… …….………………...……….
23
II.7.1. Groupement en série……… ……… …….…… ……….…………...………. 24
II.7.2. Groupement en parallèle……… ……… …….……………...……...……….. 25
II.7.3. Groupement en mixte……… ……… …….………………... ………...…….
26
II.8. Conclusion……… ……… …….………………... …………………..…...……. 27
Références bibliographiques
Chapitre III : La pile à combustible
III.1. Introduction…… ……… …….………………... …………………..…...……..
31
III.2. Historique…….………………... …………………..…...……. ……………… 31
III.3. Classification des piles à combustible… .……... …………………..…...……... 31
III.4. Pile à combustible à membrane échangeuse de proton PEMFC…..…...………. 32
III.4.1. Principe de fonctionnement…..…...……...…...…… ………………………. 32
III.4.2. Thermodynamique de la pile à combustible PEMFC……………………….
33
III.4.3. Rendement d’une pile PEM…………….. …………………………..……...
35
III.4.4. Caractéristiques de la polarisation d’une pile à combustible PEMFC. ..…… 36
III.5. La modélisation de la pile à combustible.. …… …………………….. ………. 37
III.5.1. Modélisation électrique de la pile a combustible PEMFC…………….…...
37
III.5.2. Influence de la température et de la pression ………...……………….…...
38
III.5.2.1. Influence de la température sur la caractéristique V-I et P-I………….
39
III.5.2.2. Influence de la pression sur la caractéristique V-I et P-I …………......
40
III.6. Conclusion……………. ………………….. …………………….. …………… 41
Références bibliographiques
Chapitre IV : L’électrolyseur
IV.1. Introduction…………………..………………………………………………… 47
IV.2. Electrolyseur d’eau ……………….…………………….………...…………....
48
IV.2.1. Technologies des électrolyseurs d’eau…….………..……………………...
48
IV.2.2. Comparaison entre Electrolyseurs Alcalins et PEM……… ………………
49
IV.2.3. Eléments technologiques……………….………………..………………...
50
IV.2.4. Rendement de l’électrolyseur du type PEM……………. …………...……
51
TABLE DES MATIERES
.
IV.2.5. Modélisation de l’électrolyseur……………. …..………………………...
52
IV.2.6. Influence de la température et de la pression…..…………………………
54
IV.2.6.1. Influence de la température …..……………………………………… 54
IV.2.6.2. Influence de la pression……………. ……….……………………….
55
IV.3. Conclusion……………. ………………….. …………………………..………
55
Références bibliographiques
Chapitre V: Etude Technico-économique
V.1. Introduction………………… …………………………………………… …….
59
V.2. Système PV-Electrolyseur- PAC………………. …………………….….…….
59
V.2.1 L'optimisation du système PV-Electrolyseur- PAC…………….…………….
59
V.2.1.1. Photovoltaïque…………………………… …………………… ….….. 60
V.2.1.2. La pile à combustible … ………………………………………………
60
V.2.1.3. L’électrolyseur…………….…..…….…………………………….. .…
60
V.2.1.4. Le réservoir d'hydrogène ……….. ……………………….…… …..…. 60
V.2.1.5. La charge……………………………………………...………………..
61
V.2.2 Résultats de l'optimisation du système PV-Electrolyseur- PAC………… .…. 62
V.3.3 L’analyse technico-économique du système PV-hydrogène …....………….
63
V.3. Système PV-Reformer- PAC…………………………………………… ….….
64
V.3.1. L’optimisation du système PV-Reformer- PAC……………………………..
64
V.3.1.1. Reformer ……………………………………………..………… ….…. 64
V.3.2. Résultats de l'optimisation du système PV-Reformer- PAC ……………....... 65
V.3.3. L’analyse technico-économique du système PV-Reformer- PAC……….… 67
V.4 Conclusion .……………………………..……………………….. …………….. 67
Références bibliographiques
Conclusion générale.………………… …..…… …………….………..……………
70
Liste des figures
Figure. I.1 : Schéma d’un système hybride…………………………………………………. 08
Figure. II.1 : Cellule solaire idéale ………...……………………………………………….. 13
Figure II.2 : cellule solaire réelle …………………………………………………………… 14
Figure. II.3: Les différentes zones de la caractéristique (I−V) ……………………...……... 16
Figure.II.4 : Implantation Simulink d’un GPV …………………………………………….. 19
Figure. II.5 : Caractéristique I-V du GPV ……………………...…………………………... 20
Figure. II.6 : Caractéristique P-V du GPV ……………...………………………………….. 20
Figure. II.7 : Implantation Simulink de l’influence de la variation de Es ……..…………... 21
Figure. II.8: Influence de l’ensoleillement sur la caractéristique I-V du ‘GPV’ …………… 21
Figure. II.9: Influence de l’ensoleillement sur la caractéristique P-V du ‘GPV’ ………….. 21
Figure. II.10 : Implantation Simulink de l’influence de la variation de la température ……. 22
Figure. II.11: Influence de la température sur la caractéristique I-V du ‘GPV. ……………. 22
Figure. II.12: Influence de la température sur la caractéristique P-V du ‘GPV’. ……….… 23
Figure. II.12 : Le modèle équivalent d’un générateur photovoltaïque (GPV). ……………. 24
Figure.II.13 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement en série. …………….. 25
Figure.II.14 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en série. ……………. 25
Figure.II.15 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement en parallèle …………. 26
Figure.II.16 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en parallèle. ………... 26
Figure.II.17 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement mix. ……………….... 27
Figure.II.18 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en mixte. …………… 27
Figure III.1 : Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Proton (PEMFC). ………… 34
Figure III.2 : présentation de l’équation III.3 par bloc Simulink. …………………………. 36
Figure III.3: Caractéristique tension-courant d’une pile PEM …………………………….. 38
Figure III.4 : Implantation Simulink de l’influence de la température et de la pression. ….. 40
Figure III.5 : Influence de la température sur la caractéristique V-I ……………………..… 41
Figure III.6 : Influence de la température sur la caractéristique P-I ……………………….. 41
Figure III.7 : Influence de la pression sur la caractéristique V-I …………………………… 42
Figure III.8 : Influence de la pression sur la caractéristique P-I ………………………….... 42
Figure IV.1 : La filière hydrogène …………………………………………………………. 47
Figure VI.4 : Schéma de fonctionnement d’un électrolyseur……………………………..... 50
Figure IV.5 : Modèle électrique d’électrolyseur dans simulink………………………….… 53
Figure IV.6 : courbe de polarisation de l’électrolyseur (V-I) ……………………………… 53
Figure IV.7: courbe de la densité de la puissance en fonction de la densité de courant. .… 54
Figure IV.8: l’influence de la température sur la caractéristique (V-I) ……………………. 54
Figure IV.9 : l’influence de la température sur la caractéristique (P-I) ……………………. 55
Figure IV.10: l’influence de la pression sur la caractéristique (V-I) ………………………. 55
Figure V.1: Implémentation du système PV-Electrolyseur- PAC sur HOMER …………... 59
Figure V.2: Profil de charge du système pour une journée typique de juin ……………….. 61
Figure V.3: Consommation saisonnière d’électricité ……………………………………… 61
Figure V.4: Evolution de l’insolation dans la ville d’Oran ……………………………....... 62
Figure V.5 : Résultats de l'optimisation du système PV-Electrolyseur- PAC …………….. 62
Figure V.6 : résultats de la production de l’électricité (1er système) ……………………… 63
Figure V.7 : L’énergie produite par GPV et la pile à combustible (1er système) …………. 63
Figure V.8 : Le coût des différents éléments du 1er système ………………………………. 63
Figure V.9: Implémentation du système PV-Reformer- PAC sur HOMER ……….…….… 64
Figure V.10.a : Résultats de l'optimisation du système PV-reformer- PAC alimenté en gaz
naturel …………………………………………………………………..…. 65
Figure V.10.b : Résultats de l'optimisation du système PV-reformer- PAC alimenté en
éthanol …………………………………………………………………..… 65
Figure V.10.c : Résultats de l'optimisation du système PV-reformer- PAC alimenté en
gazoline …..……………………………………………………………..… 65
Figure V.11 : résultats de la production d'électricité (2eme système) ………………………. 66
Figure V.12 : L’électricité produite par le GPV et la PAC (2eme système) ………………... 66
Figure V.13 : Le coût des différents éléments du 2eme système …………………………… 67
Liste des tableaux
Tableau I.1 : Les principaux projets réalisés ……………………………………………… 07
Tableau II.1 : Caractéristiques de certains matériaux …………………………………….. 12
Tableau.III.1: Les technologies des piles à combustible et leurs caractéristiques ……...… 33
Tableau.III.2: Les paramètres de la pile à combustible ………………………...………… 39
Tableau IV.1 : Données techniques des électrolyseurs (2008) …………………………… 48
Tableau IV.2: Comparaison des technologies PEM et Alcaline ………………………….. 49
Tableau IV.3 : Les paramètres de l’électrolyseur ………………………………...………. 52
Nomenclature
GPV
Générateur photovoltaïque
PV
Photovoltaïque
FC
Fuel cell
PAC
Pile à combustible
PEMFC
Proton exchange membrane fuel cell
DMFC
Direct méthanol fuel cell
PAFC
Phosphoric acid fuel cell
SOFC
Solid oxid fuel cell
MCFC
Molten carbonate fuel cell
EL
Electrolyseur
REF
Reformer
V Cell
La tension de cellule
E Nernst
Potentiel de Nernst
V Anode
Surtension à l’anode
V Cathode
Surtension à la cathode
V ohmique
Surtension due à la chute ohmique
T
La température
Iph
Le courant photonique
Id
Le courant direct de la diode
Vd
La tension au niveau de la diode
Is
Le courant de saturation
K
Constante de Boltzmann
q
La charge de l’électron
m
Facteur d’idéalité de la cellule
I
L’intensité du courant
V
La tension
Rs
La résistance série
Rsh
La résistance shunt
VT
Le potentiel thermique
Is
Le courant d’obscurité
Es
L’ensoleillement
RC
La résistance de charge
Popt
La puissance optimale
Vopt
La tension optimale
Iopt
Le courant optimal
Vco
La tension de circuit-ouvert
Icc
Le courant de court circuit
I0
Le courant de saturation
D
La diode symbolisant la jonction PN
m
Le rendement maximal
P0
La puissance incidente
S
La surface du générateur φ
L’éclairement ou le flux global
FF
Le facteur de forme
I1
Le courant à la condition mesurée
I2
Le courant à la condition désirée
V2
La tension à la condition désirée
E1
L’ensoleillement à la condition mesurée
E2
L’ensoleillement à la condition désirée
T1
La température à la condition mesurée
T2
La température à la condition désirée
α
Le coefficient tenant compte de l’effet de la température sur le courant
β
Le coefficient prenant compte de l’effet de la température sur la tension
Kc
Le facteur de correction de la courbe.
MPP
Le maximum power point
NS
Le nombre des branches placées en série.
NP
Le nombre des branches placées en parallèle
Vi
La tension du module
Ii
Le courant qui travers un module
PH2
La pression partielle en hydrogène
PO2
La pression partielle en oxygène
EPAC
Le potentiel thermodynamique de la pile à combustible
ηact
La polarisation d’activation
ηohm
La polarisation ohmique
ηconc
La polarisation de concentration
ηthermo
Le rendement thermodynamique
∆H°
Variation d’enthalpie standard
∆G°
Variation d’énergie libre standard
ΗF
Le rendement Faraday
Ηvoltaïque
Le rendement voltaïque
η matière
Le rendement matière
η global
Le rendement global
J
La densité de courant
E
La tension de circuit ouvert de la cellule
b
Paramètre de la PAC
Jd
Paramètre de la PAC
Δ
Paramètre de la PAC
Ki
Symbolise un des quatre paramètres (E, b, Jd, Δ)
P
La pression
VO2
Le volume d’oxygène mesuré
R
Constante des gaz parfaits
F
Constante de Faraday
t
Le temps de fonctionnement
NPC
Le coût net total du système
COE
Le coût de l'énergie
INTRODUCTION GENERALE
Introduction générale
Introduction générale
La prise de conscience des problèmes environnementaux et climatiques importants,
combinés à la diminution des ressources en énergies fossiles et à l’augmentation des coûts
énergétiques appellent à des efforts concertés pour développer un système énergétique
durable. Pour cela, l’humanité doit apprendre à préserver les ressources énergétiques
naturelles en utilisant des sources d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne,
la biomasse etc. Au cours de ce siècle, les ressources naturelles de pétrole et de gaz vont
diminuer considérablement et des nouvelles infrastructures basées sur les énergies
renouvelables devront être développées. Cette énergie renouvelable sera transformée en
énergie chimique d’un combustible approprié qui pourra être utilisé pour le chauffage pour
alimenter des installations industrielles et des véhicules ou des appareils électroniques
portables comme des téléphones cellulaires ou des ordinateurs, etc. Les piles à combustibles,
qui permettent de convertir l’énergie chimique d’un combustible en énergie électrique, sont
des éléments essentiels dans ce système d’énergie durable.
Notre travail concerne une contribution à l’étude technico-économique et à l’évaluation
comportementale de systèmes photovoltaïque - électrolyseur- pile à combustible et reformeurpiles à combustible. Dans le premier chapitre, nous donnerons une introduction au concept de
système hybride photovoltaïque et une description des différentes configurations de systèmes
d'alimentation hybrides. Dans le deuxième chapitre nous présenterons une description sur le
générateur photovoltaïque ainsi que sa modélisation et sa simulation pour les différents
paramètres. Dans le troisième chapitre nous donnons une synthèse sur le principe de
fonctionnement des piles à combustible, leurs différents types, leurs caractéristiques et nous
décrierons les caractéristiques électriques de la pile à combustible à membrane échangeuse de
proton (PEMFC), sa modélisation par le modèle empirique interne (N. Albrieux) et sa
simulation avec Simulink pour différents paramètres (la température et la pression partielle
d’O2). Dans le quatrième chapitre, nous décrierons les caractéristiques électriques et la
modélisation d’électrolyseur. Le cinquième chapitre est consacré à l’étude technicoéconomique du système hybride global (générateur photovoltaïque - électrolyseur- pile à
combustible) et à faire une comparaison entre ce système et le système lorsqu’on remplace
l’électrolyseur par un reformeur. Le logiciel HOMER sera utilisé comme outil de simulation
dans cette étude. Nous terminons par une conclusion clôturant notre travail ainsi que des
perspectives
prévues.
1 Chapitre I
LES SYSTÈMES HYBRIDES
Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
I.1. Introduction
L'extension du réseau utilitaire pour les zones reculées et inaccessibles n'est pas une
option rentable et parfois techniquement pas faisable. La nécessité de système d'énergie
autonome est donc essentielle. La première solution pour fournir l'électricité à ces zones est
obtenue en utilisant des générateurs diesel qui ont des coûts d'investissement faibles, mais des
coûts de fonctionnement élevés. La première étape d'hybridation est prise par l'ajout d'un
générateur photovoltaïque ou un générateur éolien pour ces systèmes conventionnels de
production d'électricité, ce qui augmente les problèmes opérationnels. Comme l’énergie doit
être fournie en continu, ces générateurs doivent fonctionner en permanence pour répondre à
tout manque instantané provoqué par l’augmentation de la charge ou de fluctuations de la
ressource renouvelable. Dans un tel système hybride, les générateurs d'énergie renouvelable
servir d'unités d'économie de carburant. Néanmoins, la puissance produite de façon
renouvelable permet de diminuer encore le facteur moyen de chargement de la centrale diesel,
et par conséquent les coûts d'entretien accrus peuvent l'emporter sur les économies de
carburant. L'ajout d'une sorte de stockage d'énergie résous partiellement le problème du diesel
en arrêtant le générateur d'électricité conventionnelle, lorsque l'énergie renouvelable produite
ainsi que l'énergie stockée est supérieure à la demande de la charge utilisateur. Par ailleurs,
l'intégration d'un support de stockage améliore la convivialité des énergies renouvelables.
I.2. Description des différentes configurations d’un système hybride [1]
I.2.1. Système hybride 1 : Photovoltaïque- Batterie – Diesel
Le système hybride PV peut être une alternative économique à un grand système
autonome PV, car le générateur PV ne doit pas être de taille assez grande dans le cas des pires
conditions météorologiques. Un générateur diesel (groupe électrogène) combiné avec un
chargeur de batterie peut alimenter la charge utilisateur lorsque le générateur PV échoue. Si le
générateur PV est dimensionné pour une charge moyenne de l'utilisateur, puis pendant les
périodes de charges d'utilisation plus élevés, le générateur diesel fournit la différence. Lorsque
les batteries sont faibles, le générateur diesel alimente les charges ainsi que le chargeur de
batterie. Si le générateur photovoltaïque est de taille plus petite que nécessaire pour une
charge normale, le générateur diesel peut alimenter des charges de pointe, telles que le
pompage de l'eau simultanément, le chargeur de batterie pour recharger la batterie du
3 Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
système. Le générateur diesel et les tailles des batteries doivent être choisis avec soin pour un
fonctionnement fiable.
I.2.1.1. Les avantages du système PV- Batterie – Diesel
générateurs diesel pourrait être exploité et entretenu par une partie importante d'une
population non qualifiée.
Entretien, consommables et pièces détachées sont généralement disponibles.
Les batteries ont atteint un degré de maturité important.
Batteries de haute technologie sont disponibles dans les marchés.
I.2.1.2. Les inconvénients du système PV- Batterie – Diesel
Les batteries doivent être bien chargées pour libérer de l'électricité avec un bon
rendement.
Les batteries produisent des gaz dangereux tels que H2 et O2, alors ils peuvent être
dangereux lorsqu'ils sont installés dans les endroits confinés.
groupes électrogènes diesel ont un mauvaise rendement (environ 40%).
Les batteries ont une durée de vie relativement courte par rapport à d'autres
composants du système.
I.2.2. Système hybride 2 : photovoltaïque-Batterie-pile à combustible (PAC)
Le générateur diesel dans ce système est remplacé par un système de pile à
combustible. Le système de pile à combustible est utilisé comme un générateur, lorsque les
batteries atteignent le niveau de charge minimale admissible et la charge dépasse la puissance
produite par le générateur PV. Les avantages de ce système sont en général les mêmes que
pour un système hybride PV- Batterie – Diesel. Certaines différences existent entre le principe
d'un générateur diesel et d’une pile à combustible qu’affectent la conception, le
dimensionnement et la stratégie d'exploitation d'un tel système hybride. Par exemple, un
générateur diesel fournira la puissance nominale de la charge en quelques secondes après le
démarrage, mais un système de pile à combustible a besoin de plus de temps pour fournir la
puissance nominale et la sortie doit être seulement augmentée lentement après le démarrage.
La température de fonctionnement croissante qui survient pendant le fonctionnement améliore
l'efficacité de la pile à combustible de manière significative. Selon le profil de charge, la
capacité réalisable d’une pile à combustible peut être déterminée, par contre le générateur
diesel doit fonctionner à la puissance nominale autant que possible.
4 Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
Un avantage important de la pile à combustible comme un générateur de back-up au
cours du générateur diesel est le rendement de conversion élevé de la pile à combustible.
Alors que d'un générateur diesel 1kW réalise une efficacité totale entre 8-15%, un système de
pile à combustible peut atteindre jusqu'à 50% d'efficacité lorsqu'il est utilisé avec l’hydrogène
pur. Les générateurs diesel ont besoin des coûts d'entretien élevés et ils sont bruyants et
émettent des gaz d'échappement en continu. En revanche, les piles à combustible ont des très
bonnes propriétés techniques qui les rendent intéressantes pour les systèmes d'alimentation
autonomes, tels que le bruit à faible niveau et les gaz d'échappement propres, surtout quand
l'hydrogène pur est utilisé comme combustible. En raison de leur coût de maintenance très
bas, les piles à combustible devraient générer de l'électricité à moindre coût que les
générateurs diesel conventionnel, en dépit de leur coût élevé des investissements initiaux.
Faible coût d'investissement et de temps de vie plus élevée des systèmes de piles à
combustible sont attendus dans l'avenir, lorsque des améliorations de production de masse et
les techniques sont réalisées.
I.2.3. Système hybride 3 : photovoltaïque- Electrolyseur-pile à combustible
Pour des nombreuses applications, une perte de charges d'alimentation n'est pas
acceptable. Afin d'atteindre sans perte de l'alimentation probabilités de la charge avec un
générateur photovoltaïque, le système doit être conçu en fonction du climat pire et des
conditions de charge. Par conséquent, une autre source d'énergie est nécessaire pour stocker
l'énergie. Dans ce système, l'énergie excédentaire est stockée sous la forme d'hydrogène
produis par l'électrolyseur. La pile à combustible est utilisée pour produire l'énergie si la
puissance de la charge est supérieure à celle produite par le générateur PV. Il peut également
fonctionner comme un générateur de secours, si le système générateur PV échoue.
Avec une efficacité totale du système de stockage de l'ordre de 50%, un volume de stockage
approprié peuvent être atteint et la capacité du générateur PV peut être réduit de manière
significative. Basé sur le climat du site et le profil de charge, les caractéristiques des
composants, et le volume de stockage peuvent être optimisé.
Pendant de nombreuses années, un certain nombre de systèmes hybrides ont été
réalisées en utilisant l'hydrogène pour le stockage d'énergie saisonnière. Des systèmes de
différentes topologies ont été utilisés. La plus commune est la connexion DC du générateur
photovoltaïque, électrolyseur, et pile à combustible avec ou même sans, un convertisseur
DC/DC. Techniquement, ce système peut stocker non seulement de l'hydrogène, mais aussi de
5 Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
l'oxygène. En raison de problèmes de sécurité et de coûts supplémentaires, l'oxygène n'est pas
utilisé et la pile à combustible peut être utilisée avec l'oxygène de l'air.
I.3. Les systèmes hybrides PV-PAC existants
Les projets couplant un générateur renouvelable et un système de stockage par
l’hydrogène sont étudiés depuis 1986 [2]. Le Tableau 1.1 répertorie les principaux projets
réalisés.
Nom du projet/
année
HYSOLAR 1986
Instituts/ compagnies / lieux
Description de l’étude
Puissance
installée
Identification des applications PV-H2. 2 kWc, 10kW
c
Production d’hydrogène jusqu’en 1992.
et 350 kWc
Utilisation H .
DLR,Stuttgart, Allemagne
2
NEMO 1989
Helsinski
University
of
Technologiy,Espoo,Finlande
Démonstration
de
la
possibilité
technique d’un système PV-H2 100 %
1.3 kWc
autonome
ENEA- energy area advanced
SAPHYS
energy
(JOULEII) 1990
Institut
technologies
For
Energy
(It),
(No),
Enquête et tests sur les technologies
« hydrogène ».
5.6 kWc
KFA(FZJ, De) et CEE, Italie.
ATEL 1991
Aere-Tessin Electricity Supply
Banc d’essai: production d’hydrogène
Co + Paul Scherrer Institute,
solaire et utilisation dans une pile à
Suisse.
combustible.
90 kWc
Système non intégré.
Photovoltaic Energy
PECS 1992
Conversion System, The
Demonstration et evaluation.
Copper Union, New York,
150 Wc
USA.
PHOEBUS 1993
Forschungentrum
Julich Développement et tests d’un système
GmbH, Allemagne
solaire- hydrogène autonome.
6 43 kWc
Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
Centre d'Etudes des Problèmes
PVHP
2000 [3]
de l'Energie and Laboratoire
de Cristallographie, University
of Geneva, Switzerland
Institut
HRI 2000 [4]
de
recherche
l’hydrogène,
sur
Trois-Rivières
Quèbec
WFCHES
2003 [5]
2005 [6]
la simulation de son potentiel de
Tests expérimentaux pour déterminer
les
meilleures
méthodes
St. John’s, NF, Canada
différentes composantes
(IDTC),
University
of
The
Melbourne.
Australia.
1kWc
10kW WT
= 11kW
La
Centre
de
dimensionnement et de stratégies de
Faculty of Engineering, MUN,
Technologies
5 kWc
stockage d'énergie saisonnières.
contrôle.
International
HWPVS Cooma
L’évaluation d’une installation privée et
modélisation
dynamique
des
5 kW
Démonstration de la faisabilité
69 kW
technique et l'analyse financière d'un
système hybride éolien-photovoltaïque.
l'étude économique de trois systèmes
SOLARHHYES
2008 [7]
GESC, UTBM, Rue Thierry différents
Mieg, Belfort, France
associant
photovoltaïques
et
les
les
sources
piles
à
50W
combustible.
démontrer que l'intégration de données
de
PVHHYES
2009 [8]
prévision
permet
Argonne National Laboratory, considérablement
Cass Ave, Argonne, USA
performance
la
d'améliorer
fiabilité
économique
de
et
la
ces
5 kW
dispositifs prometteurs de production
d'énergie.
HDGS
2010 [9]
Federal Institute of Tocantins,
Palmas, Tocantins, Brazil
évaluation économique et optimisation.
Tableau I.1 : les principaux projets réalisés.
7 5 kW
Les systèmes hybrides
CHAPITRE I:
I.4. Présentation générale
Le système considéré dans ce travail et schématisé sur la Figure (I.1) est composé
d’un générateur solaire et d’un système de stockage d’énergie constitué d’un électrolyseur,
d’une unité de stockage des gaz et d’une pile à combustible. Le champ photovoltaïque (PV)
alimente directement l’utilisateur. L’excédent solaire est stocké sous forme chimique. Un
électrolyseur (EL) dissocie l’eau en hydrogène et oxygène. Le gaz est stocké sans perte quel
que soit le temps de stockage. Lorsque le champ solaire ne peut pas fournir la totalité de la
demande d’électricité, la pile à combustible est connectée. Elle régénère l’électricité stockée
en recombinant l’hydrogène et l’oxygène. La pile à combustible (ou Fuel Cell) produit de
l’eau pure qui est stockée pour approvisionner l’électrolyseur.
Fig. I.1 : schéma d’un système hybride.
I.5. Conclusion
Le rendement du système PV-FC est augmenté par l’utilisation totale de l’énergie
délivrée par le champ photovoltaïque, permise par le stockage saisonnier de l’énergie.
Les détails de chaque élément sont représentés dans les chapitres
8 suivants.
Références bibliographiques
[1] Abou El-Maaty Metwally Metwally Aly Abd El-Aal, « Modelling and simulation of a
photovoltaic fuel cell hybrid system», Thèse Doctorat, University Egypt, 2005.
[2] Séverine Busquet, « Etude d’un système autonome de production d’énergie couplant un
champ photovoltaïque, un électrolyseur et une pile a combustible : réalisation d’un banc
d’essai et modélisation», Thèse Doctorat, Ecole des Mines de Paris, 2003.
[3] Pierre Hollmuller, Jean-Marc, Joubert Bernard Lachal, Klaus Yvon, « Evaluation of a
5kWp photovoltaic hydrogen production and storage installation for a residential home in
Switzerland », International Journal of Hydrogen Energy, Volume 25, Issue 2, Pages 97–109,
February 2000.
[4] K. Agbossou, R. Chahine, J. Hamelin, F. Laurencelle, A. Anouar, J.-M. St-Arnaud, T.K.
Bose, « Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications», Journal of
Power Sources, Volume 96, Issue 1, Pages 168–172, June 2001.
[5] M.T. Iqbal, «Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system», Renewable
Energy, Volume 28, Issue 2, Pages 223–237, February 2003.
[6] B.D. Shakya, Lu Aye, , P. Musgrave, HWPVS FOR Cooma, « Technical feasibility and
financial analysis of hybrid wind–photovoltaic system with hydrogen storage for Cooma»,
International Journal of Hydrogen Energy, Volume 30, Issue 1, Pages 9–20, January 2005.
[7] Jérémy Lagorse , Marcelo G. Simões, Abdellatif Miraoui, Philippe Costerg, «Energy cost
analysis of a solar-hydrogen hybrid energy system for stand-alone applications solar
HHYES», International Journal of Hydrogen Energy ,Vol. 33, Issue 12, Pages 2871–2879,
June 2008.
[8] Victor M. Zavala, Mihai Anitescu,
and Theodore Krause, «On the optimal on-line
management of photovoltaic-hydrogen hybrid energy systems »,10th International Symposium
on Process Systems Engineering, 2009.
[9] Sergio B. Silva , Marco A.G. de Oliveira, Mauro M. Severino, « Economic evaluation and
optimization of a photovoltaic–fuel cell–batteries hybrid system for use in the Brazilian
Amazon », Energy Policy , Vol.38, Issue 11, Pages 6713–6723, November 2010.
Chapitre II
GÉNÉRATEUR PHOTOVOLTAÏQUE
CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
II.1. Introduction
L'énergie solaire est utilisée depuis de nombreux siècles, de façon plus ou moins
indirect. L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel,
qui a démontré qu'il s'agissait d'une conversion directe de la lumière en énergie électrique [1].
En 1905, Albert Einstein a écrit que la lumière pouvait entrer à l'intérieur des atomes, et que
la collision entre les photons et les atomes pouvait faire sortir des électrons de leurs orbites et
permettre la création d'un courant électrique.
En 1954 les laboratoires de Bell Téléphone (États-Unis) ont mis au point la première cellule
photovoltaïque de rendement acceptable (environ 6%), ce rendement sera par la suite
augmenté grâce à la découverte que la photosensibilité du silicium pouvait être augmentée en
ajoutant des impuretés et atteindra, au début des années 1960, 15% [2]. Lors de la course vers l'espace, les photopiles ont fait des progrès intéressants. En effet les
photopiles sont une solution idéale pour combler les besoins en électricité des satellites.
En 1973, suite au choc pétrolier, l'énergie solaire subit un essor considérable.
Au début des années 90, la prise de conscience des limites de l'électrification rurale
conventionnelle (le réseau câblé), oblige les marchés du photovoltaïque à s'ouvrir afin
d'atteindre les campagnes de façon plus rentable.
II.2. Généralités sur l’énergie solaire
II.2.1. Description générale d'une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque, ou cellule solaire est un semi conducteur qui transfert
directement l’énergie lumineuse en courant électrique. Le matériau de base pour presque
toutes les cellules photovoltaïques existantes sur le marché est le silicium purifiée (Si). Il est
obtenu à partir du sable ou du quartz. Essentiellement, trois technologies sont utilisées dans la
production de cellules photovoltaïques: monocristallin; polycristallin et silicium amorphe [3].
La technologie silicium cristallin est couramment utilisée comme référence, ou c’est
l’élément de base pour la technologie d'énergie solaire de nouvelle génération. L'efficacité
d'une cellule photovoltaïque est déterminée par la capacité du matériau à absorber l'énergie
des photons sur une large gamme, et sur la bande du matériau.
11 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
Les valeurs approximatives du gap, la densité de courant maximum, et l’efficacité
théorique maximum à une température ambiante de certains matériaux utilisés sont données
dans le tableau suivant [4]:
Bande du gap
(eV)
Densité de courant
max. (mA/cm2)
Efficacité théorique
max. (%)
Silicon ; Si
1.12 43.4 28 Gallium arsenide,
GaAs
1.4 31.8 30 Cadmium telluride,
CdTe
1.5 28.5 29 Amorphous silicon,
a-Si 1.65 21.7 27 Matériau
Tableau II.1 : Caractéristiques de certains matériaux
II.2.2. Avantages et inconvénients [2] [5] [6]
II.2.2.1. Avantages
¾ Une haute fiabilité. L’installation ne comporte pas des pièces mobiles qui la rendent
particulièrement appropriée aux régions isolées.
¾ Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et
adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés
pour des applications de puissances allant du Milliwatt au Méga Watt.
¾ Le coût de fonctionnement est faible.
¾ La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le
produit fini est non polluant (électricité propre), silencieux et n’entraîne aucune
perturbation du milieu.
¾ Ils fonctionnent de façon rentable dans les régions éloignées et dans de nombreuses
applications résidentielles et commerciales.
¾ Ils sont flexibles et peuvent être élargis à n'importe quel moment pour répondre à nos
besoins en matière d'électricité.
¾ Temps de réalisation d’une centrale PV minimum.
¾ Ils ont une longe durée de vie.
12 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
¾ Le bilan énergétique est favorable puisqu’un panneau rend l’énergie nécessaire à sa
fabrication en 2 à 4 ans d’exposition.
¾ Le photovoltaïque est une source d'énergie renouvelable car inépuisable.
¾ Grande fiabilité.
II.2.2.2. Inconvénients
¾ La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des
investissements d’un coût élevé environ 550€/m² de cellules solaires.
¾ Le rendement réel de conversion d’un module est faible, de l’ordre de 10-15 % avec
une limite théorique pour une cellule de 28%.
¾ Tributaire des conditions météorologiques.
¾ Beaucoup d’appareils vendus dans le marché fonctionnent au 220 à 230V alternatif.
Or, l’énergie issue du générateur PV est unidirectionnelle et de faible voltage (< 30V),
elle doit donc être transformée par l’intermédiaire d’un onduleur.
II.3. Modélisation de la production photovoltaïque
Plusieurs modèles sont utilisés pour décrire le circuit électrique équivalent d'un module
de cellules photovoltaïques: modèle à une diode, à deux diodes et le modèle empirique. Dans
notre modélisation, on est choisi le modèle à une diode.
II.3.1. Cas idéal
Le schéma électrique équivalent à une cellule photovoltaïque est représenté par la
figure.2.1. Ce circuit est constitué d'une source de courant et d'une diode montée en parallèle.
La source de courant délivre un courant photonique (Iph), directement proportionnel à
l'intensité de la lumière, la diode représente la jonction p-n de la cellule solaire [7] [8].
Figure. II.1 : Cellule solaire idéale
13 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
L’équation caractéristique de la cellule solaire déduite directement à partir de la loi de
Kirchhoff est : [2] [9].
q
ph
d
ph
s
1
(II.1)
Iph : courant délivre par la cellule, sa valeur est proportionnelle au flux solaire.
I, V : Courant et tension fournis par la cellule.
Id : Courant direct de la diode
T : la température de la jonction (Kelvin)
q : la charge de l’électron (1.6*10-19 coulombs)
Is : courant de saturation.
K : constante de Boltzmann (k = 1,38*10 -23)
m : correspond au
facteur d’idéalité de la cellule qui dépend des mécanismes de
recombinaison dans la zone de charge d’espace.
II.3.2. Cas réel
La performance d’une cellule solaire est limitée par l’influence de deux phénomènes
physiques assimilables à deux résistances (Rs et Rsh) [10]. Le schéma électrique équivalent
devient :
Figure II.2 : cellule solaire réelle
• La diode modélise la jonction PN dont la tension en direct est approximativement 0.5 volts
• Le générateur du courant modélise le courant I ph généré par un éclairement.
14 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
• La résistance série Rs modélise les pertes par effets Joule à travers les grilles de collectes
et la résistance propre des semi conducteurs, ainsi qu’aux mauvais contactes (Semi
conducteur, électrodes).
• La résistance shunt Rsh modélise les pertes par recombinaisons dues essentiellement à
l’épaisseur, aux effets de surface, ainsi qu’au non idéalité de la jonction.
L'équation complète de la cellule photovoltaïque s'écrira [5][7][11][12] :
1
T=
Avec:
(II.2)
KT
q
Comme la résistance shunt Rsh est beaucoup plus élevée que la résistance série Rs, on peut
négliger le courant dévié dans Rsh a partir de ça le terme
0
La relation du courant lié à une tension sera comme suite :
cc
s
exp
s
T
1
(II.3)
Les paramètres de sortie de la cellule photovoltaïque sont le courant I et la tension V.
II.4. Caractéristique I=f (V) d’une cellule solaire
La figure II.3 représente la caractéristique I= f (V), sachant que le courant généré est
donné par la formule (II.3) et que la cellule fonctionne sous un éclairement fixe Es = 100%
équivalent à 1000W/m2 et une température constante T= 250 C (condition standards de
fonctionnement d’un module photovoltaïque. selon la valeur de RC (résistance de charge) on
peut distingue trois zones de fonctionnement [13]:
15 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
Figure.II.3: Les différentes zones de la caractéristique (I−V)
La zone I: correspondante aux faibles valeurs de RC où le courant reste constant, quelle que
soit la tension, pour cette région, la cellule photovoltaïque fonctionne comme un générateur
de courant. Le fonctionnement de la cellule dans cette zone donne des puissances faibles, des
courants élevés et des tensions petites.
La zone II: correspondante aux valeurs moyennes de RC et au coude de la caractéristique, la
région intermédiaire entre les deux zones, représente la région préférée pour le
fonctionnement du générateur, où le point optimal qui est caractérisé par une puissance
maximale peut être déterminé.
La zone III: cette région correspondante aux valeurs élevées de RC et elle se distingue par
une variation de courant correspondant à une tension presque constante, dans ce cas la cellule
est assimilable à un générateur de tension [14].
16 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
II.5. Paramètres d’un générateur photovoltaïque
La puissance optimale Popt : c’est la puissance électrique maximum que peut fournir le
module dans les conditions standards (25°C et un éclairement de 1000W/m2).
P
V
.I
II.4
Où :
Vopt : est la tension à la puissance maximale.
Iopt : est le courant à la puissance maximale.
La caractéristique I (V) : est la courbe représente le courant I débité par le module en
fonction de la tension aux bornes de celui –ci.
Tension de circuit-ouvert Vco : est la tension au bornes du module pour laquelle le courant
débité par le générateur photovoltaïque est nul, son expression est réduite à :
ln
0
II.5
0
Courant de court circuit Icc : est le courant débité par un module en court circuit pour un
éclairement « plein soleil », son expression est donnée par l’équation (II.7) :
1
II.6
Rendement η: la puissance est nulle en court-circuit et en circuit ouvert. Elle passe par un
maximum quand on parcourt la caractéristique I-V. ηm est donné par la relation suivante[15] :
η
II.7
P0 : la puissance incidente, elle est égale au produit de l’éclairement et de la surface totale des
cellules.
II.8
17 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
Avec :
: est l’éclairement ou le flux global W/m2
S : est la surface du générateur m2.
Facteur de forme FF: dit aussi facteur de courbe ou de remplissage il est défini par :
II.9
.
On utilise les données fournies par le constructeur, aux conditions standards, pour un module
photovoltaïque caractérisé par : Voc = 21.2V, Iopt = 3.02A, Icc = 3.25A, Vopt = 16.9 V,
Popt = 51W et Rs = 0.4Ω.
Notre module est de type polycrystallin : Is= 1.12*10-7 A et m=4.73*10-1
II.6. Influence de la température et de l’ensoleillement
Le module photovoltaïque est sensible aux facteurs externes, essentiellement à la
température et l’ensoleillement. Pour cette raison plusieurs modèles ont été élaborés, nous
exploitons les formules suivantes [16] [17]:
.
1
.
II.10
K.
II.11
I2, V2, E2, T2 sont respectivement le courant de sortie, la tension, l’ensoleillement et la
température à la condition désirée.
I1, V1, E1, T1 sont respectivement le courant de sortie, la tension, l’ensoleillement et la
température à la condition mesurée.
Icc est le courant de court circuit à la condition mesurée.
α est le coefficient tenant compte de l’effet de la température sur le courant.
1.6 10
/
β est le coefficient prenant compte de l’effet de la température sur la tension.
18 CHAPITRE II :
7.8 10
Générateur Photovoltaïque
/
Kc est le facteur de correction de la courbe.
5.5 10
Ω/
Les point de coordonnées V1, I1 ont été calculés pour la courbe de référence suivant
l’équation (II.3).
On a utilisé Matlab/Simulink pour avoir illustrer le comportement du GPV vis à vis de
la température et l’ensoleillement, basant sur les équations (II.10) et (II.11).
La figure II.4 représente la simulation de notre module sur Simulink pour visualiser la
caractéristique I-V et P-V de notre générateur photovoltaïque basant sur l’équation (II.3)
u
e
V
V
I
0.4
Rs
2.58
Vt
4.73e-1
m
1
1.12e-7
Is
3.25
Icc
P
Figure.II.4 : Implantation Simulink d’un GPV
19 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
3.5
M
3
X: 16.8
Y: 2.968
Courant (I)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
25
Figure.II.5 : Caractéristique I-V du GPV
La caractéristique I −V obtenue aux conditions standards est illustrée en figure. II.5. Le
point M est le point de puissance optimale (MPP). Ses coordonnées sont les suivants: Iopt =
2.96 A et Vopt = 16.8 V. Cette caractéristique est tributaire des conditions environnementales
(Température et Ensoleillement).
50
45
40
Puissance (W)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
25
Figure.II.6 : Caractéristique P-V du GPV
II.6.1. Influence de l’ensoleillement
Une température de 25 °C est maintenue constante. L’ensoleillement (Es) varie
(400W/m2, 600W/m2, 800 W/m2, 1000 W/m2). Les courbes obtenues sont illustrées en
figure.II.7 et II.8, selon le modèle Simulink sur la figure. II.6
20 CHAPITRE II :
V
Générateur Photovoltaïque
-C-
In1
Out1
In2
Rs
Subsystem
1
1
E2
100
1
I2
3
P2
2
V2
3.25
Icc
E1
Figure.II.7 : Implantation Simulink de l’influence de la variation de Es.
3.5
1000 W/m2
800 W/m2
600 W/m2
400 W/m2
3
Courant (A)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5
10
Tension (V)
15
20
25
Figure. II.8: Influence de l’ensoleillement sur la caractéristique I-V du ‘GPV’
55
50
1000 W/m2
800 W/m2
600 W/m2
400 W/m2
45
Puissance (W)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure. II.9: Influence de l’ensoleillement sur la caractéristique P-V du ‘GPV’
21 30
CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
On remarque que l’influence due à l’augmentation de l’éclairement fait augmenter
fortement la valeur du courant de court-circuit. Par contre la tension de circuit ouvert Vco
augmente faiblement. Le point de puissance optimale augmente de façon proportionnelle à
l’éclairement.
II.6.2. Influence de la température
Pour un ensoleillement de 1 kW/m2 (100 %)
maintenu constant, nous varions la
température. La figure. II.11 représente les résultats de notre simulation obtenue pour des
températures de 7°C, 27 °C, 35 °C et 50 °C.
V1
In1
Out1
In2
0.4
-7.8e-2
1
I2
Subsystem
Rs
1.6e-3
Alpha
300
T1
I1
2
V2
1
T2
B
5.5e-3
K
Figure. II.10 : Implantation Simulink de l’influence de la variation de la température.
3.5
50°C
35°C
27°C
7°C
3
Courant (A)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
Figure. II.11: Influence de la température sur la caractéristique I-V du ‘GPV.
22 25
CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
60
50°C
35°C
27°C
7°C
50
Puissance (W)
40
30
20
10
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
25
Figure. II.12: Influence de la température sur la caractéristique P-V du ‘GPV’.
On remarque l’importance des variations de la tension et le courant gagne un petit peu
d’intensité lorsque la température augmente; ceci peut être expliqué par une meilleure
absorption de la lumière, le gap baissant lorsque la température augmente. L’accroissement du
courant peut être négligé au point de puissance maximale et le comportement global de la
cellule.
II.7. Groupement des cellules solaires
Les puissances demandées par les charges couramment utilisées nécessitent des tensions
supérieures à ceux que peuvent fournir les cellules élémentaires, il faut donc envisager des
groupements. Pour cela les cellules sont assemblées pour former un module. Les connections
en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise
en parallèle accroît le courant en conservant la même tension.
Un module photovoltaïque se compose généralement d’un circuit de 36 cellules en série,
protégées de l’humidité par un capsulage de verre et de plastique. L’ensemble est ensuite
muni d’un cadre et d’une boite de jonction électrique [18] [19].
Ces modules peuvent être associes en série (augmenté la tension) et en parallèle
(augmenté le courant) pour former un GPV (ou champ PV). La modélisation d’un GPV
composé de NS modules en série et NP modules en parallèle est [20] :
.
1
.
23 II.12
CHAPITRE II :
2
•
1
Générateur Photovoltaïque
. .
.
.
.
II.13
I et V sont respectivement le courant de sortie et la tension du module à la condition
mesurée.
•
I et V sont respectivement le courant de sortie et la tension du module à la condition
désirée.
•
NP et NS sont respectivement le nombre des branches placées en parallèle et en série.
Le schéma équivalent d’un générateur photovoltaïque est donné par la figure II.12 suivante : Figure .II.12 : Le modèle équivalent d’un générateur photovoltaïque (GPV).
II.7.1. Groupement en série
Dans le cas d’association en série, un même courant traverse toutes les cellules à
condition que les cellules soient identiques. La tension obtenue à la sortie du panneau est la
somme de toutes les tensions aux bornes de chaque cellule. Tant que les cellules sont
identiques et traversées par un même courant, on obtient:
∑
.
II.14
i
Vi est la tension du module.
NS est le nombre de modules connectés en séries.
V est la tension du générateur photovoltaïque.
24 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
3.5
Ns =2
Ns =4
Ns =8
3
Courant (A)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80
100
Tension (V)
120
140
160
180
Figure.II.13 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement en série.
Figure.II.14 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en série.
II.7.2. Groupement en parallèle
Dans le groupement en parallèles, les modules sont soumis à une même tension. Le
courant de sortie est égale la somme du courant qui travers chaque branche.
∑
.
II.15
i
•
I est le courant de sortie du GPV.
•
Ii est le courant qui travers un module.
•
Np est le nombre des branches (module connectés en parallèle).
25 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
30
Np =2
Np = 5
Np = 8
25
Courant (A)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure .II.15 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement en parallèle.
450
Np =2
Np = 5
Np = 8
400
350
Puissance (W)
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
Tension (V)
15
20
25
Figure.II.16 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en parallèle.
II.7.3. Groupement en mixte
Dans le groupement en mixte, les deux configurations précédentes (série et parallèle)
sont associées pour augmenter la puissance.
∑
∑
.
.
II.16
i
II.17
i
26 CHAPITRE II :
Générateur Photovoltaïque
15
Ns = 2, Np =2
Ns = 3, Np =4
Ns = 4, Np =3
Courant (A)
10
5
0
0
10
20
30
40
Tension (V)
50
60
70
80
90
Figure.II.17 : la caractéristique I-V d’un GPV pour un groupement mix.
Ns =2, Np =2
Ns =3, Np =4
Ns =4, Np =3
600
Puissance (W)
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
Tension (V)
50
60
70
80
90
Figure.II.18 : la caractéristique P-V d’un GPV pour un groupement en mixte.
II.8 Conclusion Cette technologie présente de nombreux avantages : fiabilité, durabilité, faible entretien,
sans bruit. Les inconvénients majeurs sont leur prix important et le faible rendement
impliquant des surfaces importantes.
27 Références bibliographiques
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Mémoire de Magister, Centre Universitaire De Bechar, 2008.
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propre a base de PV-PAC», Thèse Doctorat, USTO, 2009.
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promotion des énergies renouvelables, 1999-2000.
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production d'hydrogène solaire par électrolyse», Rev. Energ. Ren. Vol.7, pp.135-150, 2004.
[8] : F.Z. Zerhouni, M. Zegrar, S. Kaddour Brahim et A. Boudghène Stambouli
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11, pp. 41 – 49, 2008.
[9] : www.abcelectronique.com.
[10] : S. Bouazza, H. Bouchnafa, « Estimation des énergies incidentes et fournies par module
photovoltaïque », Mémoire de DES, Université de Tlemcen, juin 2001.
[11] : M. Santarelli, S. Macagno, «A thermo-economic analysis of a PV-hydrogen system
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Conversion and Management, Vol. 45, Issue 3, pp. 427–451, February 2004.
[12]: M. G. Villalva, J. R. Gazoli, E. Ruppert F, « Modelling and circuit-based simulation of
photovoltaic arrays», Brazilian Journal Of Power Electronics, Vol. 14, No.1, pp. 35-45, pp.
1414-8862, 2009.
[13]: M. Belatel, F. Benchikh, Z. Simohamed, F. Ferhat et F.Z. Aissous,« Technologie du
couplage d’un système hybride de type photovoltaïque-éolien avec la pile à combustible pour
la production de l’électricité verte», Rev. Energ. Ren. Vol. 14, pp. 145 – 162,2011.
[14]: Hassini Née Belghitri Houda,« Modélisation, simulation et optimisation d’un système
hybride éolien-photovoltaïque», Mémoire De Magister, Université De Tlemcen, 2010.
[15]:Fanney, A.H., Davis, M.W., Dougherty, BP. ,King ,D.L. , Boyson, «comparison of
photovoltaic module performance measurements », proceedings international solar energy
conference, orlando, FL, USA, 2005.
[16]: Zerhouni F.Z, « Adaptation Optimal D’une Charge A Un Générateur Photovoltaïque»,
mémoire de magister, Usto, 1996.
[17] : Kobayash, Takano, Sawada «A Study Of A Two Stage Maximum Power Point Traking
Control Of A Photovoltaic System Under Partially Shaded Insolation Conditions», Solar
Energy Materials And Solars Cells, Vol. 90, Issue23, pp. 18-19 ,2006.
[18]: F. Benyarou, « Conversion Des Energies » Document De Cours (EN01), Université De
Tlemcen, 2001-2002.
[19]: www.solarelectripawer.org
[20] : Kaddour Brahim Sabrina, «Contribution Dans L’étude D’un Système Non Polluant
Hybride», Mémoire De Magister, Usto, 2008.
Chapitre III
LA PILE À COMBUSTIBLE
CHAPITRE III :
La pile à combustible
III.1. Introduction
Face aux problèmes environnementaux croissants de ces dernières décennies, une prise
de conscience internationale des citoyens et de nos politiques en faveur de nouvelles
technologies propres est nécessaire. Les piles a combustible apparaissent comme l’un des
moyens de production d’énergie pour le futur, en parallèle des énergies renouvelables, parce
qu’elles ne produisent pas de polluants lorsqu’elles sont alimentées par de l’hydrogène pur.
Bien que le principe des piles à combustible soit relativement ancien, leur développement
s’est fortement augmenter ces dernières années, notamment grâce a l’avancée technologique
et la prise élevé du brut.
III.2. Historique
Le principe des piles à combustible a été découvert en 1839 par William Grove, avocat
anglais et chercheur amateur en électrochimie [1]. La première pile à combustible fut
présentée par Grove en 1843/1845 [2].Ce n’est qu’au début des années 1960 que la
technologie des piles à combustible a connu de grandes avancées, notamment pour ses
applications dans le domaine spatial.
En 1970, Dupont met au point la membrane NafionR qui sert d’électrolyte a une grande
partie des piles de type PEM. Au début des années 1980, malgré quelques réussites, les piles
restent couteuses, de faible duré de vie et trop peu compactes pour trouver une application
commerciale. Les recherches s’essoufflent et les travaux se ralentissent dans la plupart des
pays. C’est réellement au début des années 1990 que les piles connaissent un regain d'intérêt.
Cela est dû à un début de prise de conscience sur la nécessité de trouver des moyens de
production d’énergie moins polluants, sur les réserves limitées en énergies fossiles (pétrole,
gaz naturel, charbon) et les incertitudes liées à leur approvisionnement, sur l’augmentation
des besoins énergétiques à l’échelle mondiale et enfin sur l'intérêt d'une production
d'électricité décentralisée. De nos jours, de nombreux efforts sont en cours pour réduire les
coûts, augmenter la fiabilité et améliorer la compacité des piles à combustible.
III.3. Classification des piles à combustible
Une pile à combustible permet de convertir directement de l'énergie chimique en
énergie électrique à relativement basse température ce qui permet d’éviter la formation de
NOx. Une cellule élémentaire est constituée d’un électrolyte séparé par deux électrodes. Le
combustible (en général de l’hydrogène) est amené à l’anode alors que la cathode est
31 CHAPITRE III :
La pile à combustible
alimentée en oxygène (ou air). Les piles à combustibles sont différentes selon leur utilisation.
On distingue principalement deux types de pile : certaines fonctionnent à basse température
(moins grandes et moins puissantes : téléphones portables…), d’autres à température
moyenne ou élevée (grandes et très puissantes : bus, navires…). C’est le type d’électrolyte
utilisé qui détermine la température à la quelle la pile va fonctionner. A ce jour, on compte six
types de pile à combustible, chacune étant identifiée par leur électrolyte [1]:
- AFC (Alkaline fuel Cell),
- PEMFC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell),
- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell),
- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
- MCFC (Molten carbonate Fuel Cell),
- SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).
Les technologies des piles à combustible et leurs caractéristiques sont représentées dans le
tableau suivant :
Type
Electrolyte [3]
PEMFC
Solide
Membrane
AFC
PAFC
SOFC
MCFC
DMFC
KOH
H3PO4
ZrO2/Y2O3
Li2CO3/K2C
H2SO4
O3
polymère
(Nafion)
Catalyseur [3]
platine
nickel
platine
pérovskite/nick
nickel
platine
el
Combustibles
H2
H2
H2
H2, CO,CH4
H2,CO, CH4
CH3OH
H+
OH-
H+
O2-
CO32-
H+
50°C-80°C
60°C-80°C
200- 220°C
800-1000°C
600-700°C
40 -60°C
possibles [4]
Espace
ionique[4]
Température [5]
32 CHAPITRE III :
Rendement [6]
50 – 68 %
Transport,
Domaine
d’application [7]
stationnaire,
portables
La pile à combustible
60 – 70 %
spatiales,
défense
équipements
40 – 50 %
60 – 65%
55 – 65 %
20 – 30%
Stationnaire
Stationnaire
Stationnaire
Transport
Cogénération
Cogénération
Cogénération
Portables
portables
Développement[
10 kW
100 kW
40 kW-
3 kW-10 kW 25kW -100kW
5 kW
11MW
7]
difficile
Très difficile
facile
Très facile
Commercial
Commercialis
commercialis
R&D
isée R&D
ée
ée
expérimentale
1 W-10 MW
1 W-100KW
Industrialisation
2002
2002
-
2006
2008
2015
Coût ($ /kW)
200
200
1000
1500
100
-
Cogénération
Etat de marché
Gamme de
puissance [8], [9]
200 W10MW
1 KW-100MW
Très facile
R&D
500KW10MW
Très difficile
Commercialis
ée R&D
1W
Tableau.III.1: Les technologies des piles à combustible et leurs caractéristiques
III.4. Pile à combustible à membrane échangeuse de proton PEMFC
Actuellement, la pile à membrane échangeuse de protons est l’une des piles à
combustible les plus étudiés. Elle présent en effet de nombreux avantages tels que son
insensibilité au CO2, son faible température de fonctionnement qui permet des démarrages
rapides et une grande souplesse de fonctionnement (applications portables et de transport) et
son large gamme de puissance possible. Cependant, elle présente encore de nombreux
problèmes qui doivent être réglés, notamment sa sensibilité au CO, son coût global
(catalyseurs platinés, plaques bipolaire en graphite et membrane protonique) et la faible
température de fonctionnement qui ne permet pas de valoriser la chaleur en particulier pour
les applications stationnaires.
III.4.1. Principe de fonctionnement
33 CHAPITRE III :
La pile à combustible
Ce type de pile est alimenté par l’hydrogène ou un alcool (méthanol ou éthanol) qui est
oxydé à l’anode et en oxygène qui est réduit à la cathode. Cette réaction d’oxydoréduction
correspond à l’électrolyse de l’eau inversée :
Oxydation à l’anode :
2H+ + 2e-
H2
Réduction à la cathode :
O2+ 2H+ + 2e-
H2O
Réaction globale
H2 + ½ O2
H2O + chaleur
L’électricité est produite par les 2 électrons libérés par la molécule d’hydrogène.
Les protons d’hydrogène H+ traversent la membrane séparant l’anode de la cathode et se
recombinent à la cathode avec les électrons et les atomes d’oxygène. Idéalement, les seuls
produits secondaires de la réaction sont de l’eau et de la chaleur.
Le schéma de principe d’une cellule élémentaire de pile à combustible est présenté dans
la figure III.1. La membrane est le cœur de la cellule élémentaire, il s’agit d’un électrolyte en
polymère qui est perméable aux protons d’hydrogène et imperméable aux gaz. Pour garantir
la perméabilité aux protons, la membrane doit être en permanence humidifiée.
34 CHAPITRE III :
La pile à combustible
Figure III.1 : Pile à Combustible à Membrane Echangeuse de Proton (PEMFC).
III.4.2. Thermodynamique de la pile à combustible PEMFC
Le potentiel thermodynamique théorique de la pile à combustible PEMFC H2/O2 à 25°C
et à 1 atome est de l’ordre de 1,23 V, mais le potentiel réel (EPAC) de la cellule décroît par
rapport au potentiel thermodynamique d’équilibre quand le courant débite, cette déviation à la
valeur du potentiel de Nernst, est due aux pertes irréversibles appelées polarisations η
(surtension) qui sont : la polarisation d’activation (ηact), la polarisation ohmique (ηohm ) et
la polarisation de concentration (ηconc).
Par conséquent, l’expression de la tension d’une cellule (EPAC) s’exprime comme suit [10]:
EPAC = ENernst − ηact − ηohm − ηconc
(III.1)
Pour calculer la tension (ES) de (n) piles unitaires reliées en série formant un assemblage
35 CHAPITRE III :
La pile à combustible
ES = n × EPAC
(III.2)
Dans le cas où l’eau liquide serait le produit de la PEMFC, l’expression de l’équation de
Nernst se présente comme suit [10], [11], [12] :
E
1.229
0.85 10
T
298.15
4.308 10 T ln PH
ln PO
(III.3)
Où
T est la température opératoire absolue de la pile (K).
PH2 et PO2 sont les pressions partielles à l’interface respectivement de l’hydrogène et de
l’oxygène (atm).
Le bloc simulink équivalant à l’équation III.3 est montré sur la figure III.2.
1.229
Eo
1
4.308e-5
0.85e-3
1
1
T(K)
0.85e-3
ENernst
ln
P(H2)
Add3
-C-
ln
P(O2)
1/2
Gain
Figure III.2 : présentation de l’équation III.3 par bloc Simulink.
III.4.3. Rendement d’une pile PEM
Le rendement d’un processus de transformation d’énergie est défini comme :
η
é
é
é é
(III.4)
é
Le rendement de la
pile à combustible est donc égal au rapport entre l’énergie
électrique délivrée et l’énergie potentielle de l’hydrogène consommée pour produire cette
électricité. Mais il n’est pas simple à définir. D’abord l’énergie potentielle de l’hydrogène
n’est pas intrinsèque et il faut définir quelle énergie potentielle de l’hydrogène on considère,
36 CHAPITRE III :
La pile à combustible
car celle-ci dépend des réactifs et des conditions de la réaction. On est ainsi conduit à
distinguer différent rendement.
a. Rendement thermodynamique
Rendement thermodynamique est défini par le rapport entre le travail électrique
récupérable et l’enthalpie de la réaction à l’équilibre thermodynamique :
ηthermo
∆G° T
(III.5)
∆H° T
Pour la réaction de formation de l’eau, lorsque celle-ci est produite à l’état liquide à 25°C et
sous une pression de 1 bar, ces grandeurs valent :
Variation d’énergie libre standard : ∆G°= -237 kJ/mole.
Variation d’enthalpie standard : ∆H°= -265,8 kJ/mole.
Le rendement thermodynamique vaut alors : η thermo = 83%.
b. Rendement faradique
Le rendement faradique (ηfaradique ) tient compte du nombre d’électrons effectivement
obtenus par mole de carburant présent. Pour l’hydrogène, on a en général un rendement de 1
(c’est-à-dire 2 moles d’électrons (2faraday) par mole d’hydrogène).
c. Rendement voltaïque
Ce rendement se calculé par le rapport entre la tension de sortie de la pile et la tension
E° à la température concernée :
η
pile
ï
(III.6)
,
d. Rendement matière-quantités de combustion
Ce rendement concerne l’utilisation des réactifs au niveau des électrodes. En effet, dans
une pile, chaque ensemble " membrane-électrodes doit être alimenté de manière identique ce
qui suppose un même débit et des pressions partielles identiques. Ces ensembles étant en
série, tout défaut pour l’un d’eux se répercute sur tous les autres on définit un coefficient
d’utilisation des gaz que l’on estime typiquement à 95% :
37 η matière =95%.
CHAPITRE III :
La pile à combustible
e. Rendement global de la pile
Le rendement global du système est la contribution de tous les rendements vus
précédemment :
η
η
η
ï
η
η
(III.7)
è
En pratique, la tension d’utilisation d’une cellule de PEM se situe autour de 0,7V. Nous
pouvons alors calculer un rendement global approximatif :
η global = 0,43.
III.4.4. Caractéristiques de la polarisation d’une pile à combustible PEMFC
Selon la densité de courant a laquelle on travaille, on peut distinguer trois domaines
différents, sur la courbe caractéristique V-I de la pile PEMFC illustrées sur la Figure III.3.
Zone 1 : aux plus faibles densités de courant, la tension diminue rapidement a cause des
surtensions d’activation qui sont dues a la cinétique des réactions (notamment la réduction
d’oxygène, la plus lente).
Zone 3 : aux plus fortes densités de courant, la tension chute brutalement. A ce point, le
transport de matière devient limitant, c'est-a-dire que l’apport de réactif n’est plus assez rapide
par rapport à la cinétique des réactions.
Zone 2 : dans la gamme des densités de courant moyennes, la tension évoluée linéairement
avec le courant. Cette linéarité est souvent, a tort, attribuée exclusivement a la chute ohmique
alors qu’elle s’explique par la somme des trois contributions (chute ohmique, surtensions
d’activation et de concentration).
Figure III.3: Caractéristique tension-courant d’une pile PEM
38 CHAPITRE III :
La pile à combustible
III.5. La modélisation de la pile à combustible
La modélisation d’un système pile à combustible à deux objectifs : la compréhension de
phénomènes et la prévision du comportement du bloc modélisé dans le cadre d’un système
plus important.
III.5.1. Modélisation électrique de la pile a combustible PEMFC
Le modèle électrique développé au laboratoire par N. Albrieux est empirique. Ce
modèle complété, validé et utilisé par Busquet et al. Son équation électrique est [13] :
J
J
J
∆ .J
(III.8)
Où :
Vcell : Potentiel d’une cellule (Volt).
J : Densité de courant (A/cm2).
E : Tension de circuit ouvert de la cellule (Volt).
Cette forme mathématique permet la prise en compte de la forte chute de tension à intensité
élevée (figure III.3, zone 2).
Les paramètres b, Jd et Δ (V, A/cm² et Ω/cm²) dépendent des conditions expérimentales
principalement de la température et de la pression partielle en oxygène ou en hydrogène.
Les 4 constantes E, b, Jd et Δ sont déterminées à partir des résultats expérimentaux. Chaque
paramètre est dissocie en trois composantes selon l’équation suivante :
ln
(III.9)
Où
Ki symbolise un des quatre paramètres (E, b, Jd et Δ).
T est la température moyenne de stack et elle est limitée entre 15 et 36 °C.
Po2 est la pression partielle en oxygène et il est limite entre 0.7 et 1.5 bars.
Les valeurs des paramètres appliqués dans notre simulation sont [13] :
39 CHAPITRE III :
La pile à combustible
Jd (A/m2)
Jd1= - 0.868
Jd2= - 1.762 E-3
Jd3= 4.9 E-4
E (Volt)
E1= 0.796
E2= 4.661 E-3
E3= -3.22 E-4
b (Volt)
b1= -1.926
B2= 2.616 E-2
B3= -1.489 E-4
∆ (Ω/m2)
∆1= 3.892
∆2= -7.447 E-3
∆3= -2.696 E-4
Tableau.III.2: Les paramètres de la pile à combustible appliqués
III.5.2. Influence de la température et de la pression
La température et la pression ont un impact sur les performances de la pile à
combustible. La figure III.4 représente la simulation de l’impact de ces paramètres dans
l’environnement Simulink.
1
T(k)
In1
Out1
In2
1
E
2
ln
Po2(bar)
In1
Out1
In2
ln
2
V
2
Jd
In1
Out1
In2
B
In1
Out1
In2
4
Delta
1
J
J
Figure III.4 : Implantation Simulink de l’influence de la température et de la pression.
III.5.2.1. Influence de la température sur la caractéristique V-I et P-I
Pour voir l’impact de la température sur les caractéristiques de la pile à combustible, on
maintenu la pression po2 à 1.2 bar pour différentes températures. Les températures prises à
titre d’exemple sont 35°C, 27°C, 20°C et 15°C.
40 CHAPITRE III :
La pile à combustible
Nous remarquons sur la figure III.5, qu’il ya une relation proportionnelle entre la
température et la tension, l’augmentation de la température augmente la tension, parce que
l’augmentation de la température de fonctionnement provoque la diminution de la résistance
ohmique de l’électrolyte. La densité de puissance varie selon la variation de la température
comme montre la figure III.6.
L’augmentation de la température permet, d’une part, d’améliorer les cinétiques
électrochimiques (vitesse) des réactions au niveau des électrodes et donc de diminuer les
pertes d’activation. D’autre part elle améliore la d’effusion des gaz dans les électrodes et
permet d’augmenter le courant limite de la pile. Enfin, elle contribue à diminuer les pertes
ohmiques dans la membrane grâce a l’augmentation de la conductivité ionique de cette
dernière.
Cependant, une température élevée va voir tendance à assécher la membrane et donc à
augmenter des pertes ohmiques (par l’augmentation de sa résistance).
1
35°C
27°C
20°C
15°C
0.95
Tension (V)
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Densité de courant (A/cm)
0.3
0.35
Figure III.5 : Influence de la température sur la caractéristique V-I
41 0.4
CHAPITRE III :
La pile à combustible
Densité de Puissace (W/cm2)
0.35
35°C
27°C
20°C
15°C
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Densité de courant (A/cm2)
0.3
0.35
0.4
Figure III.6 : Influence de la température sur la caractéristique P-I
III.5.2.2. Influence de la pression sur la caractéristique V-I et P-I
Pour voir l’influence de la pression po2 sur les caractéristiques de la pile à combustible,
on garde la température stable (35°C) et on fait varie la pression po2 (1.4, 1.2, 0.9, 0.7 bar).
On remarque sur la figure III.7, que l’augmentation de la pression po2 provoque
l’augmentation de la tension pour une même densité de courant, parce que l’augmentation de
la pression po2 permet d’augmenter les pressions partielles de gaz, ce qu’augmente la tension
de Nernst. La figure III.8 montre que le fonctionnement à pression élevée permet d’augmenter
la puissance spécifique (ou densité de puissance).
1.05
1.4 bar
1.2 bar
0.9 bar
0.7 bar
1
Tension (V)
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Densité de courant (A/cm)
0.3
0.35
Figure III.7 : Influence de la pression sur la caractéristique V-I
42 0.4
CHAPITRE III :
La pile à combustible
1.4 bar
1.2 bar
0.9 bar
0.7 bar
Densité de P uissance (W /cm2)
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Densité de courant (A/cm2)
0.3
0.35
0.4
Figure III.8 : Influence de la pression sur la caractéristique P-I
III.6. Conclusion
Les piles à combustible ont par ailleurs des performances qui dépendent fortement des
conditions de fonctionnement dans lequel elles se trouvent telle que la température et la
pression. Leur augmentation induit une meilleure performance de la PAC en termes de
l’efficacité de tension.
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[5] Corinne Dalet, «Gestion de l’eau dans un système Pile à Combustible pour traction
automobile : transferts couplés dans un humidificateur membranaire.», Thèse Doctorat,
Université Henri Poincaré, 2009.
[6] Wolfgang Friede, «Modélisation et caractérisation d'une pile à combustible du type PEM»,
Thèse Doctorat, Université de Karlsruhe, 2003.
[7] C. Lamy et J.-M. Leger, «Les piles à combustible : application au véhicule électrique»,
Journal De Physique IV, Volume 4, janvier 1994.
[8] Fanny Gahllard, «Développement de membranes métalliques composites pour la
purification de l’hydrogène», Thèse Doctorat, Ecole Polytechnique, 2003.
[9] Séverine Busquet, « Etude d’un système autonome de production d’énergie couplant un
champ photovoltaïque, un électrolyseur et une pile a combustible : réalisation d’un banc
d’essai et modélisation», Thèse Doctorat, Ecole des Mines de Paris, 2003.
[10] J. Wishart, Z. Dong, M. Secanell, «Optimization of a PEM fuel cell system based on
empirical data and a generalized electrochemical semi-empirical model», Journal of Power
Sources, Volume 161, Pages 1041–1055, August 2006.
[11] M.T. Iqbal, «Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system», Renewable
Energy, Volume 28, Issue 2, February 2003, Pages 223–237
[12] Jay Tawee Pukrushpan, «Modeling and control of fuel cell systems and fuel processors»,
Thèse Doctorat, University of Michigan, 2003.
[13] Séverine Busquet, C.E. Hubert, J. Labbé, D. Mayer, R. Metkemeijer, «A new approach to
empirical electrical modelling of a fuel cell, an electrolyser or a regenerative fuel cell»,
Journal of Power Sources, Volume 134, Pages 41–48, Jun 2004.
Chapitre IV
L’ÉLECTROLYSEUR
CHAP
PITRE IV
V:
L’éélectrolysseur
IV.1. Introduct
I
tion
L'hydrogène est le com
mbustible du futur. Sa
S producttion est actuellement assurée
principaalement parr reformagee du gaz natturel [1]. L’électrolyse de l'eau estt bien connu
ue, mais
elle ne peut être reentable sur le plan écoonomique que
q si l'élecctricité néceessaire est d'origine
d
C
en
nvisagent aussi
a
sa production grâce à
renouveelable (solaaire, éolienn…) [2]. Certains
l'électricité nucléaiire durant lees heures crreuses; c'estt donc une sorte
s
de stoockage de l’’énergie.
mme combu
ustible pourr les moteuurs thermiqu
ues, soit
Quant à son usagee, il peut êttre soit com
pour prooduire l'élecctricité par les piles à combustible
c
e.
Le choix duu procédé de
d fabricatioon de l’hyd
drogène se fait en foncction de no
ombreux
d
De fait l’éleectrolyse
paramèttres : type d’énergie primaire disponible,
pureté, débbits, …. D
représennte aujourdd’hui moins de 4% de la capacité totale de production
p
dde cet hydro
ogène et
n’est uttilisée que si l’électriccité est bonn marché ett/ou si une pureté élevvée de l’hy
ydrogène
produit est requise [3] [4] [5].
L’ensem
mble de la filière
f
hydroogène est scchématisé daans la figuree IV.1:
Figure IV.11 : La filièree hydrogènee
47 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
IV.2 Electrolyseur d’eau
Un électrolyseur est l’appareil inverse de la pile à combustible. Il décompose l’eau en
hydrogène et oxygène lorsqu’il est électriquement alimenté.
IV.2.1 Technologies des électrolyseurs d’eau
Il existe actuellement trois types d’électrolyseur d’eau classés selon la nature de leur
électrolyte dont résulte leur température de fonctionnement [6].
• Les électrolyseurs Alcalins, commercialisés et représentant la quasi-totalité des ventes
d’électrolyseurs. L’électrolyse est réalisée à partir d’une solution aqueuse d’hydroxyde de
potassium (KOH) dont la concentration varie en fonction de la température de
fonctionnement.
• Les électrolyseurs PEM, à membrane échangeuse de protons sont distingués par un
électrolyte solide à membrane polymère conductrice de protons PEM à basse température.
• Les électrolyseurs SOE (Solid Oxide Electrolyser), à oxyde solide, un électrolyte en
céramique, conducteur à haute température sont encore au stade de la recherche. Cette
technologie est directement issue des développements de piles à combustible de type SOFC,
fonctionnant entre 600 et 1100°C et cet électrolyse à haute température (EHT) est un des
procédés de production d’hydrogène à grande échelle les plus prometteurs pour le futur.
Le tableau suivant montre les données techniques des différents types d’électrolyseurs :
type
Pression
Température
de
de
fonctionnement fonctionnement
Consommation
électrique de H2
(KWh/Nm3)
Rendement
énergétique
%
Etat du marché
PEM
80 - 100
1 - 70
6
80 - 90
développement
alcaline
50 - 100
3 - 30
4 -5
75 - 90
commercialisé
800 - 1000
-
3 – 3.5
80 - 90
recherche
Haute
température
Tableau IV.1 : Données techniques des électrolyseurs (2008).
48 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
IV.2.2 Comparaison entre Electrolyseurs Alcalins et PEM
Les technologies Alcaline (électrolyte liquide) et PEM sont actuellement les seules
proposées sur le marché. Le tableau suivant (Tableau) répertoire leurs principales différences
et caractéristiques en termes de mise en œuvre à savoir : structure, échelle de production,
prix, fiabilité et sécurité :
Critère
PEM
Structure
− Densité de courant élevée (1 à 2A/cm2)
− Densité
− Structure compacte.
(< 0.4A/cm2)
− Autorise
Système/Prix
Alcaline
des
pressions
de
courant
faible
− Structure peu compacte.
fonctionnement élevées.
− Utilisation de matériaux moins
− Production de masse facilitée due à la
couteux mais production de masse
conception simple (réduction des coûts).
plus compliquée à mettre en œuvre.
− Pression de l’oxygène faible (réduction − Capacité limitée de variation de la
des coûts d’installation).
production.
− Systèmes ultra compacts disponibles.
− Des installations de purge d’azote
− Utilisation de catalyseurs à base de et
métaux nobles (platine) (coût élevé).
Fiabilité
de
antidéflagrantes
peuvent
être
exigées.
− Haute fiabilité dans le temps prouvée − Utilisation commerciale à grande
(utilisation spatiale/ sous- marins)
échelle éprouvée, robustesse.
− Fiabilité démontée par des R&D − Contamination
potentielle
des
nombreuses depuis 1980.
tuyauteries par le KOH.
Pression
− Pression différentielle jusqu’à 200bar
− Faible
H2/O2
démontrée.
tolérée.
(Aspect
− Purge de l’H2 sure par l’ouverture de
− Extinction
Sécurité)
vannes à l’extinction ou en cas de panne
systèmes de contrôle spécifiques et
d’alim.
d’énergie de secours sont exigés
− Mélange très limité entre l’H2 et l’O2
pour
pression
éviter
sure
différentielle
difficile ;
un
mélange d’H2 et d’O2.
Tableau IV.2: Comparaison des technologies PEM et Alcaline.
49 des
catastrophique
CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
IV.2.3 Eléments technologiques
De même que pour la pile à combustible PEM, une cellule d’électrolyseur PEM est
constituée de deux électrodes, anode positive et cathode négative, dont les noms sont donc
inversés, séparées par l’électrolyte solide comme le montre la Figure VI.4.
Figure VI.4 : Schéma de fonctionnement d’un électrolyseur.
L’électrolyte solide est une membrane d’une épaisseur typique d’une centaine de
micromètres, isolant électronique et conducteur ionique. Cette membrane ne supporte qu’une
différence de pression limitée, ce qui constitue une contrainte de mise en œuvre.
Dans le cas d'une membrane échangeuse de protons, des électrons sont formés suite à
l’oxydation de l'eau en oxygène et en protons, la réaction anodique est la suivante :
Catalyseur
2H+ +2e- + O2
Anode (oxidation): H2O
Les électrons circulent dans le circuit électrique extérieur tandis que les protons
traversent l’électrolyte PEM. Ces derniers se recombinent à la cathode par la réaction
suivante :
Catalyseur
+
Cathode (réduction): 2H +2e
-
H2
50 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
Les électrodes sont le lieu des réactions d’oxydoréduction. Afin de favoriser la
décomposition de l’eau en hydrogène et oxygène, les électrodes doivent avoir les
caractéristiques suivantes :
− Etre conçues pour favoriser une répartition homogène de l’eau sur la surface active et
favoriser l’évacuation des gaz produits depuis les sites de réaction. Par principe, l’anode de
l’électrolyseur est donc noyée.
− Etre imprégnées d’un élément catalyseur se retrouvant du côté de l’électrolyte.
Le platine est connu comme le catalyseur le plus actif pour la réaction de production
d’hydrogène à la cathode.
IV.2.4 Rendement de l’électrolyseur du type PEM
Si on apporte effectivement à l’électrolyseur la chaleur nécessaire à la réaction, la
tension minimale de fonctionnement correspond à la potentielle réversible thermodynamique
E
et on peut exprimer son rendement voltaïque ηΔG par:
ηΔG
E
cellule
IV.1
Mais, compte tenu de l’analyse précédente, si cette chaleur est fournie par l’alimentation
électrique, par le biais des pertes, il apparaît pertinent de calculer son rendement voltaïque en
se référant au potentiel isotherme par l’expression suivante :
.
ηé
cellule
IV.2
En pratique, la tension d’une cellule d’électrolyseur PEM est effectivement comprise entre
1.5 et 2.0 (V), selon la densité du courant appliquée.
Comme il n’y a pas de réactions parasites (rendement faradique unitaire) la relation entre le
courant et la production de gaz est proportionnelle.
2. .
IV.3
Les pertes dans l’électrolyseur ont quasiment les mêmes origines que dans la pile à
combustible :
• Pertes d’activation
• Pertes de diffusion
51 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
• Pertes d’ohm
La valeur du rendement Faraday
est donnée par :[8]
. . .
. . .
IV.4
Avec :
P : La pression (bar)
VO2 : Le volume d’oxygène mesuré (m3 ) pendant le temps (t)
R : Constante des gaz parfaits J.K−1/mol
T : La température de fonctionnement (K)
F : Constante de Faraday 96485 C/mol.
I : Le courant traversant l’électrolyseur (A).
t : Le temps de fonctionnement (sec).
IV.2.5 Modélisation de l’électrolyseur
Le modèle électrique utilisé ici a été validés par S. Busquet au cours de ses travaux de
thèse. Il est le même que celui utilisé pour la pile à combustible (l’équation III.8). Les
coefficients du modèle électrique pour l’électrolyseur sont représentés dans le tableau
suivant:[14] [15]
Jd (A/m2)
Jd1= 0.355
Jd2= - 1.078 E-3
Jd3= 5.232 E-4
E (Volt)
E1= 1.025
E2= 1.24 E-3
E3= -1.05 E-4
b (Volt)
b1= -6.125
B2= 1.57 E-3
B3= -3.245 E-4
∆ (Ω/m2)
∆1= -1.819
∆2= 4.83 E-3
∆3= 1.248 E-4
Tableau IV.3 : Les paramètres de l’électrolyseur.
La représentation de l’électrolyseur que nous avons développée de l’équation
d’Albrieux dans l’environnement matlab/ simulink est illustrée sur la figure IV.5.
52 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
203
T (K)
In1
Out1
In2
9.6
Po2
ln
1
V
1
E
ln
In1
Out1
In2
2
Jd
In1
Out1
In2
B
4
In1
Out1
In2
Delta
2
J.
J
Figure IV.5 : Modèle électrique d’électrolyseur dans simulink.
La courbe ci-dessous représente la courbe des caractéristiques (la tension (V) en
fonction de la densité de courant (J)) avec les conditions suivantes :
Po2 = 9.6 bar.
T = 35°.
La tension (V)
1.6
1.5
1.4
1.3
0
0.1
0.2
0.3
Densité de courant (A/cm2)
0.4
Figure IV.6 : courbe de polarisation de l’électrolyseur (I-V)
53 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
La densité de puissace(W/cm2)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
La densité de courant(A/cm2)
0.35
0.4
Figure IV.7: courbe de la densité de la puissance en fonction de la densité de courant.
Les figures (IV.6 et IV.7) montrent que l’augmentation de la densité de courant
permet d’induire une augmentation sur la tension et la densité de la puissance.
IV.2.6 Influence de la température et de la pression
L’électrolyseur est sensible à la température et à la pression d’O2. Pour voir l’impact de
ces paramètres nous simulons le schéma montré sur la figure IV.5.
IV.2.6.1 Influence de la température
Pour visualiser l’impact de la température sur les courbes de caractéristique (V-I) et
(P-I), on garde la pression Po2 stable (9.6 bar) et on fait varier la température T (35°C, 51°C
et 62°C).
1.8
T= 35°c
T= 51°c
T= 62°c
La tension(V)
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
0
0.1
0.2
0.3
La densité de courant(A/cm2)
0.4
Figure IV.8: l’influence de la température sur la caractéristique (V-I)
54 CHAPITRE IV :
L’électrolyseur
La densité de la puissace(W/cm2)
0.7
T=35°c
T=51°c
T=62°c
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
La densité de courant(A/cm2)
0.4
Figure IV.9 : l’influence de la température sur la caractéristique (P-I)
On remarque sur la Figure IV.8 que l’augmentation de la température induit une
diminution de la tension de l’électrolyseur pour une même densité de courant. La Figure IV.9
montre que la densité de la puissance varie dans le sens inverse de la température.
IV.2.6.2 Influence de la pression
Pour voir l’influence de la pression sur les caractéristiques de l’électrolyseur, on
maintient la température T fixe (35°C) pour différentes pressions. Les pressions prises à titre
d’exemple sont 35°C, 27°C, 20°C et 15°C.
1.8
La tension(V)
1.7
Po2=9.6bar
Po2=7.6bar
Po2=5bar
1.6
1.5
1.4
1.3
0
0.1
0.2
0.3
La densité de courant(A/cm2)
0.4
Figure IV.10: l’influence de la pression sur la caractéristique (V-I)
IV. Conclusion
Les performances d’électrolyseur dépendent des conditions de fonctionnement tel que
la température et la pression. L’augmentation de ces conditions
performance de l’électrolyseur.
55 induit une mauvaise
Références bibliographiques
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[8] Samer Rabih, « Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types
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[9] Anatoly Demina, Elena Gorbova, Panagiotis Tsiakaras, « High temperature electrolyzer
based on solid oxide co-ionic electrolyte: A theoretical model ». Journal of Power Sources
171 (2007) 205–211.
[10] http://www.cea.fr/jeunes/themes/les_nouvelles_energies/l_hydrogene/les_modes_de
production_de_l’hydrogene.
[11] http://ired.iset.uni-kassel.de/investire/pdfs/electrolyser.pdf
[12] A. Deschamps, C. Etievant, V. Fateev, S. Grigoriev, A. Kalinnikov, P.Milletc,
V.Porembsky, C. Puyenchet. « Development of advanced PEM water electrolysers». WHEC
16 / 13-16 June 2006 – Lyon France.
[13] W. Vielstich, A.Lamm, H.A. Gasteiger, «Fundamentals technology and applications»,
Handbook of Fuel Cells , John Wiley& Sons, Chichester, Editors, 2003.
[14] Séverine Busquet, C.E. Hubert, J. Labbé, D. Mayer, R. Metkemeijer, «A new approach
to empirical electrical modelling of a fuel cell, an electrolyser or a regenerative fuel cell»,
Journal of Power Sources, Volume 134, Pages 41–48, Jun 2004.
[15] Julien Labbé, «L’hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour
systèmes photovoltaïques isoles», Thèse Doctorat, Ecole des Mines de Paris, 2006.
Chapitre V
ETUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE
CHAPITRE V :
Etude Technico-économique
V.1 Introduction
Actuellement, en Algérie l’électricité est fournie grâce au gaz naturel. Cependant, au
niveau international qu’au niveau national, d’un point de vue écologique mais surtout
économique tous les plans et stratégies énergétiques s’accordent sur la nécessité
de
substituer, du moins partiellement, des sources d’énergies renouvelables aux énergies fossiles.
Le but est d’obtenir une configuration technologiquement faisable mais à moindre coût.
Le logiciel HOMER a été utilisé comme outil de simulation.
Les hypothèses économiques ont été un apport important à l'optimisation. Ils ont été
identifiés à partir d'une recherche à travers la littérature disponible.
Les résultats de la simulation, l’optimisation et les analyses des deux systèmes (PVElectrolyseur- PAC et PV-Reformer- PAC) sont décrites dans les paragraphes suivantes.
V.2 Système PV-Electrolyseur- PAC
V.2.1 L'optimisation du système PV-Electrolyseur- PAC
L'un des problèmes les plus difficiles dans la conception de systèmes d'énergie
autonome est l'optimisation des composantes énergétiques à différentes tailles, en ce qui
concerne le coût de l'énergie et la performance globale du système.
Le système proposé est représenté sur la figure V.1. Les principaux composants
énergétiques de ce système sont les panneaux PV et la PAC. Le nombre des unités utilisés, le
capital, le cout de remplacement et de maintenance, les heurs d’opérations en système de
puissance autonome seront définis pour permettre faire la simulation du système sur Homer.
Figure V.1: Implémentation du système PV-Electrolyseur- PAC sur HOMER.
59 CHAPITRE V :
Etude Technico-économique
V.2.1.1 Photovoltaïque
Le coût de l’installation d’un système PV est entre 4200 à 7000$/kW, il est prévu de
chuter chaque année de façon linéaire jusqu’au 2000$/kW pour 2030[1]. Le coût de
remplacement est de 5000$/kW, le coût de maintenance considéré pratiquement à zéro et la
duré de vie est 25 ans.
V.2.1.2 La pile à combustible
Le coût des piles à combustible varie selon le type de la technologie, de la taille, des
auxiliaires installés,… etc. Le coût de PAC de type PEM (alimenté par l’hydrogène pur) est
varie entre 3000 et 6000 $/kW, mais il est prévu qu'il sera réduit dans l’avenir à 300 $/kW [1].
Le coût des piles à combustible PEM utilisés dans l'optimisation est de 3000$/kW. Le
coût de remplacement est de 2700 $/kW et la durée de vie est de 40000 heures de
fonctionnement. Deux différentes tailles des piles à combustible PEM (0.4 et 0.8 kW) ont été
considérées dans les calculs effectués par Homer.
V.2.1.3 L’électrolyseur
Les grandes unités sont capables de produire de 100 à 120 Nm3 par heur. Le coût de
1m3 d'hydrogène produit est réduit à 7300 $ par Nm3/ heur, qui est encore élevé [2] [3].
Le coût de l'électrolyseur intégrée au projet est 2000 $/kW, le coût de remplacement est
1800$/kW et le coût de O&M est 30$/an. La durée de vie est 25 ans.
L'introduction de trois tailles différentes d’électrolyseur a été étudiée: 0.4, 0.6 et 0.8kW.
La durée de vie a été considérée 25 ans.
V.2.1.4 Le réservoir d'hydrogène
L'hydrogène produit à 30 bars de l'électrolyseur sera stocké dans des réservoirs
conventionnels de stockage, le coût moyen est de 38 $ / Nm3 de l'hydrogène stocké. Il est
prévu une réduction des coûts de 40% [2].
Le coût du réservoir intégrée au projet est 1300 $/kW, le coût de remplacement est
1200$/kW et le coût de O&M est 10 $/an. La durée de vie est 25 ans.
Trois réservoirs de stockage d'hydrogène ont été examinés dans le processus
d'optimisation : 02, 03 et 04 kg. La durée de vie a également été considérée 25 ans.
60 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
V.3.1.5 La charge
Laa charge esst de type DC.
D La Figuure V.2 mo
ontre le proofil de chargge du système pour
une journée typiquue de juin. La
L charge électrique
é
à une variation saisonniière avec Mai,
M Juin,
Juillet et
e Août com
mme des mois
m
de poinnte (Figure V.3). La moyenne
m
annnuelle de laa charge
électriquue est de 2kkWh /jour et le pic jourrnalier annu
uel est de 2224 W.
Figure V.2:
V Profil de
d charge duu système po
our une jourrnée typiquue de juin.
Figure V.3: Consom
mmation saissonnière d’éélectricité.
Lees données de rayonneement solairre de la ville d’Oran reeprésentés sur la figuree V.4 ont
été importées dans HOMER afin de calcculer les vaaleurs moyeennes mensuuelles de l'in
ndice de
clarté ett de rayonneement quotiidien.
O vu sur la figure V.4 que le rayoonnement so
On
olaire est éleevé, surtoutt entre Mai et Août.
Pour ce période (dee Mai à Aoûût) l'indice de
d clarté mo
oyenne annuuelle est de l’ordre de 0,6 et le
rayonneement quotidien moyenn est de 4.8553kWh/m2.
61 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
F
Figure
V.4: Evolution de
d l’insolatiion dans la ville
v
d’Orann.
V.2.2 Résultats
R
dee l'optimisaation du sysstème PV-E
Electrolyseu
ur- PAC
Seelon les résultats
r
duu processuus d'optimisation pouur le systèème d'alim
mentation
d'hydroggène autonoome, qui esst représentée schématiiquement dans
d
la Figuure V.1. Le système
optimal est constituué d’un pannneau PV de
d 1.5 kW, une PEMFC de 0.4 kW
W, un électtrolyseur
de 0.6kW
W et un réservoir de sttockage d'hyydrogène de
d 2 kg.
misation du système
s
PV
V-Electrolysseur- PAC.
Figure V.5 : Résultatts de l'optim
D
D’après
les résultats
r
de l'optimisation, la pile à combustible fonctionnne 5038h par
p an et
consom
mmé environn 25 kg de H2 par an. Par
P conséqu
uence, on estime une ddurée de viee proche
de 8 anss et sa produuction électtrique est dee 410 kW/an
n.
L système PV--Electtrolyseur- PAC a un
Le
ne productiion annuelle totale d'énergie
d
électriquue de 3156 kWh, dont 87% a été produite paar le génératteur photovoltaïque et 13% par
la pile à combustibble.
Lees résultats liés à la prroduction d'électricité
d
et de la chaarge alimenntée par l'hy
ydrogène
optimale basée sur le système sont donnés dans la fig
gure V.6.
62 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
Figure V.6 : résultatss de la produ
uction de l’électricité.
L’énergie prooduite par lee générateuur photovoltaïque et la pile
p à combbustible pendant une
e montrée sur la figuure V.7. Ceelle produitee par la pille à combusstible est au
ugmente
année est
pendantt les mois de
d l’hiver ett diminue pendent
p
les mois de l’éété, elle a uune relation
n inverse
avec l’eexistence dees rayonnem
ments solairees quand l’éénergie prodduite par PV
V est insuffiisante.
Figure V.7 : L’énergie
L
prroduite par PV et pile à combustibble.
V.2.3 L’analyse
L
teechnico-écoonomique du systèmee PV-hydroogène
Laa figure suuivante repprésente la répartition
r
du capital annualisé ppour les priincipaux
compossants du systtème à basee d'hydrogènne.
Figure V.8 : Le coût dess différents éléments duu 1er systèm
me.
63 CHAPITRE V :
Etude Technico-économique
Les panneaux photovoltaïques sont encore un facteur de coût important du système
proposé, mais le réservoir de l'hydrogène est le principal facteur de coût. Dans les systèmes
d'alimentation autonomes avec stockage d'énergie saisonnière, Il est nécessaire d'installer un
grand réservoir d'hydrogène afin de stocker les quantités appropriées qui va alimenter la pile à
combustible soit au cours de la nuit, ou en cas où l’énergie produite par PV est insuffisante.
Le coût net total du système PV-Electrolyseur-PAC est de 23330$ équivalent à
1,862,727.858 DA et le coût de l'énergie proposé est également élevé à 2.511 $/kWh
équivalent à 200,484.7686 DA.
V.3 Système PV-Reformer- PAC
V.3.1 L’optimisation du système PV-Reformer- PAC
Le système PV-Reformer- PAC proposé est représenté sur la figure V.9. Dans ce
système on a remplacé l’électrolyseur et le réservoir de l’hydrogène par un reformer. Les
piles à combustible, le générateur photovoltaïque et la charge considérés pour ce système sont
de même type et de même taille avec celles utilisées dans le premier système.
Figure V.9: Implémentation du système PV-Reformer- PAC sur HOMER
V.3.1.1 Reformer
Le coût de reformer utilisé dans l'optimisation a été 561$/Kg , le coût de remplacement
est de 561$/Kg et la durée de vie est de 25ans. Deux différentes tailles de reformer (0.2 et
0.4kW) ont été considéré dans les calculs effectués par Homer, et en utilisant comme
carburant le gaz naturel, la gazoline et l’éthanol.
64 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
V.3.2 Résultats
R
dee l'optimisaation du sysstème PV-R
Reformer- PAC
P
Seelon les résuultats du prrocessus d'ooptimisation
n pour le sysstème PV-R
Reformer- PAC,
P
qui
est reprrésenté danss la figure V.9.
V Le sysstème optim
mal compreend un pannneau PV dee 1.5kW,
une PEM
MFC de 0.44 kW et un reformer
r
dee 0.2kg /h dans
d
le cas des
d trois diff
fférentes carrburants.
Figurre V.10.a : Résultats
R
dee l'optimisattion du systèème PV-refformer- PAC
C alimenté en
e gaz
naturel
Figure V.10.b
V
: Réésultats de l'optimisatioon du systèm
me PV-reforrmer- PAC aalimenté en
n éthanol
Figure V.10.c : Résultats de
d l'optimissation du sy
ystème PV-rreformer- PA
AC alimentté en
gazoline.
O remarquee que le cooût de la production
On
p
d’électricitéé est varie selon le carburant
c
utilise, et
e le meilleuur résultat est
e obtenue dans
d
le cas de gaz natuurel.
Le gaz naaturel dispoose de nom
mbreux arg
guments pratiques ett économiq
ques qui
expliqueent son dévveloppemennt massif ; beaucoup
b
en
e profitent pour le préésenter com
mme une
alternatiive écologique. Du pooint de vue environnem
mental, il a aussi quelqques points forts, il
produit 30 % moiins de carbbone que l’éthanol et jusqu’à 600 % moins de carbonee que la
gazolinee. On trouvee donc beauucoup moinns ou presqu
ue pas du touut d'hydrocaarbures imb
brûlés, et
peu de monoxyde de carbonne (CO). Lee remplacem
ment des auutres combbustibles paar le gaz
naturel peut donc contribuer à réduire lees émission
ns et à amélliorer la quaalité de l’aiir, mais
tout celaa ne doit paas faire oubllier que le gaz
g naturel reste
r
toujourrs une sourcce d'énergiee fossile.
65 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
L''analyse du système PV
V-Reformerr- PAC a mo
ontré que laa pile à com
mbustible fon
nctionné
4899 h et consomm
mé environ 22.9 kg de H2 par an. On estime une
u durée dde vie plus de 8 ans
et sa prooduction éleectrique est de 382kW par an
Lees résultats liés à la prroduction d'électricité
d
et de la chaarge alimenntée par l'hy
ydrogène
produit par un refoormer alimeenté par gazz naturel son
nt représentéés sur la figgure V.11 :
Figure V.11
V : Résulttats de la prroduction d'éélectricité
D
D’après
les résultats
r
de l'optimisation, le systèème PV- refformer- PAC
C a une pro
oduction
annuellee totale d'énnergie électtrique de 31128 kWh, dont
d
88% a été produitte par le géénérateur
photovooltaïque et 12%
1
par la pile
p à combuustible.
L’énergie prooduite à parrtir de PV ett celle produ
uite à partirr de pile à combustible pendant
une annnée est monttrée sur la figure
fi
V.12.
F
Figure
V.122 : L’électriccité produitee par le GPV
V et la PAC
C.
66 CHAP
PITRE V :
Etude Technicoo-économ
mique
V.3.3 L’analyse
L
teechnico-écoonomique du systèmee PV-Reforrmer- PAC
C
Laa répartitioon du capiital annuel pour les différents composantts du système est
représenntée sur la figure
f
suivannte :
Figgure V.13 : Le coût dess différents éléments duu 2eme systèm
me.
Lees panneauxx photovolttaïques sontt toujours lee composannt le plus cooûteux puis la pile à
combusstible. Le reformer est représente
r
l plus moin
le
ns chère com
mposant parr rapport au
ux autres
compossants.
Lee coût net tootal du système PV-hyydrogène estt de 18594$$ et le coût dde l'énergie proposé
est également à 2.3386 $/kWh.
V.4 Conclusio
C
ns
Prrenant en compte
c
une nouvelle augmentatio
a
on du prix des
d combusstibles fossiiles, une
réductioon sur les coûts
c
en caapital et l'inntroduction de PV dess coûts exteernes (taxess sur les
émissions…etc.), nous pouvvons concluure que ce système d'alimentati
d
ion autonom
me PVhydrogèène
va
devenir
é
économique
ement
67 viaable,
mêm
me
plus
tôt
que
2020.
CHAPITRE V :
Etude Technico-économique
Références bibliographiques
[1] John Andrews, Bahman Shabani, « Dimensionless analysis of the global techno-economic
feasibility of solar-hydrogen systems for constant year-round power supply», International
Journal of Hydrogen Energy , Volume 37, Pages 6–18, January 2012. [2] Zoulias EI, Glockner R, Lymberopoulos N, Tsoutsos T, Vosseler I, Gavalda O, Mydske
HJ, Taylor P,« Integration of hydrogen energy technologies in stand-alone power systems
analysis of the current potential for applications», Ren Sust Energy Rev 2006.
[3] Lymberopoulos N, Zoulias EI, Taylor P, Little P, Brodin M, Glockner R, et al. «Market
potential for the introduction of hydrogen in stand-alone power systems». In: Proceedings of
first European hydrogen energy conference, Grenoble, France, 2003.
68 CHAPITRE V :
Etude Technico-économique
CONCLUSION GENERALE
69 Conclusion générale
Ce présent travail s’inscrit dans le programme de l’étude technico-économique et de
l’évaluation comportementale d’un système hybride non polluant composé essentiellement de
générateur photovoltaïque, de pile à combustible à membrane échangeuse de proton et d’outil
de production de l’hydrogène (reformeur ou électrolyseur).
Dans le premier chapitre, nous s’intéressons au concept de système hybride
photovoltaïque et les différentes configurations de systèmes d'alimentation hybrides. Le
deuxième chapitre est dédié à la description de générateur photovoltaïque ainsi que sa
modélisation et sa simulation pour différents paramètres. Dans le troisième chapitre nous
avons présenté les résultats de la simulation des caractéristiques électriques de la pile à
combustible. Le modèle proposé est capable de prévoir le fonctionnement dans différentes
conditions. On a vu que les piles à combustible ont par ailleurs des performances qui sont
fortement tributaires des conditions de fonctionnement liées à leur environnement telle que la
température et la pression. Leur augmentation améliore les performances de la pile à
combustible. Dans le quatrième chapitre, nous avons pu mettre en évidence la forte influence
des certains facteurs sur le comportement de l’électrolyseur et dernièrement le cinquième
chapitre qui présente les résultats de la simulation des différentes configurations de système
hybride avec le logiciel de simulation HOMER avec une comparaison entre un système PV –
EL – PAC et PV - REF – PAC.
D’après Les résultats de la simulation, l’optimisation et les analyses des deux systèmes
décrites dans le cinquième chapitre, on a constaté que le remplacement des technologies
classiques par des technologies de l'hydrogène, y compris les piles à combustible et
l’électrolyseur dans les systèmes des énergies renouvelables d'alimentation autonome est
technologiquement réalisable, réduit les émissions, le bruit et la dépendance des combustibles
fossiles et augmente la pénétration des énergies renouvelables.
L’électrolyse de l’eau pour la production de l’hydrogène est le procédé le plus répandu
et le plus prisé. L’utilisation de l’énergie solaire dans les procédés d’électrolyse s’avère la
méthode la plus rentable et la plus protectrice de l’environnement.
Ce travail nous permet de mieux connaitre les composants photovoltaïques et
électrochimiques en vue de la conception des systèmes énergétiques qui les exploitent.
Il est intéressant de souligner comme perspective :
- Utilisation d’une charge de type AC.
- Modélisation thermique et dynamique de la pile à combustible.
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