Alimentation électrique d`un site isolé à partir d`un générateur

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Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Electrique
JURY
M. Christian GLAIZE, Professeur, Université de Montpellier II
M. Michel PLANTEVIN, Ingénieur, HELION Hydrogen Power
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAPLACE (INP-UPS-CNRS)
Directeur(s) de Thèse : M. Stéphan ASTIER, Professeur, INP Toulouse
et M. Christophe TURPIN, Chargé de Recherche, CNRS
Rapporteurs : Mme. Marie-Cécile PERA, Professeure, Univ. Technologique de Belfort-Montbéliard
M. Bruno FRANCOIS, Maître de Conférences (HDR), Ecole Centrale de Lille
Présentée et soutenue par Frédéric GAILLY
Date prévue le 18 juillet 2011
Titre :
Alimentation électrique d'un site isolé à partir d'un générateur photovoltaïque
associé à un tandem électrolyseur/pile à combustible (batterie H2/O2)

III
Résumé
Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des
solutions nouvelles et innovantes à l’alimentation électrique des milieux peu ou non
électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage
originale qui apporte l’autonomie et l’indépendance électrique pour des longues durées
(typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un
électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d’énergie de la source renouvelable ;
l’hydrogène, voire l’oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé
ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante.
Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs
photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l’alimentation d’un site isolé sans interruption.
Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et
ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l’Université de
Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et
TENERRDIS.
Tout d’abord, une réflexion générale s’appuyant sur les propriétés d’une batterie H2/O2
démontre la nécessité d’introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement
instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques
possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s’achever sur une étude quantitative
réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de
gestions énergétiques ont été proposées afin d’utiliser les deux stockages dans les meilleures
conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes.
Deux bancs d’essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été
réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype
final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l’été 2011.
Mots clés :
Générateur photovoltaïque
Système hybride
Tandem Electrolyseur - Pile à combustible
Stockage Hydrogène - Oxygène
Gestion d’énergie
Architecture électrique

IV

V
Abstract
Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions
to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which
is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence
for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an
electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source.
Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable
source becomes insufficient.
In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2
battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE
Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011)
and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the
University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and
TENERRDIS clusters.
First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to
introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted
operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC
bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE
project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use
both storage in the best conditions, limiting their losses and aging.
Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were
performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final
prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of
2011.
Key words:
Photovoltaic
Hybrid system
Fuel cell and electrolyser association
Hydrogen and oxygen storage
Energy management
Electrical architectures