Un convertisseur de puissance pour alimenter un électrolyseur au sein d’une chaîne de production d’hydrogène

Dans le cadre de l’élaboration de stratégies technologiques pour s’opposer au réchauffement climatique, il est important de développer des solutions non carbonées permettant de stocker l’énergie électrique, puis de la distribuer en fonction des besoins, car cette énergie ne peut pas être conservée sur le réseau électrique. L’hydrogène représente ainsi une solution attractive et prometteuse pour stocker et fournir une énergie électrique déjà produite. De plus, les technologies à base d’hydrogène sont bien adaptées à la modularité des sources d’énergies renouvelables.

Leur principal inconvénient est cependant l’intermittence de la production d’énergie électrique via des sources renouvelables en raison des conditions météorologiques, ce qui a un impact direct sur la production d’hydrogène. Pour produire de l’hydrogène non carboné (c’est-à-dire « vert »), l’électrolyse de l’eau alimentée avec des énergies renouvelables est une solution pertinente. Etant donné que l’électrolyseur doit être alimenté avec une tension plus faible que la source d’énergie renouvelable, un convertisseur DC/DC d’interface présentant un haut rapport de conversion doit être inséré.

Le volume d’hydrogène produit dépend fortement de la quantité d’énergie apportée à l’électrolyseur. Plus l’apport d’énergie est conséquent, plus l’électrolyseur produit de l’hydrogène. Toutefois, cet apport d’énergie engendre des échauffements au sein de l’électrolyseur, conduisant à la réduction de son rendement. En d’autres termes, une bonne partie de l’énergie apportée à l’électrolyseur est perdue et ne peut donc pas être convertie en hydrogène. Le choix de la stratégie de dimensionnement et de contrôle de l’ensemble formé par l’électrolyseur et le convertisseur DC/DC doit dépendre des performances souhaitées (débit d’hydrogène, rendement, ou bien compromis débit/rendement).

Ainsi, afin de garantir de bonnes performances à l’électrolyseur, le courant ou la tension à la sortie du convertisseur DC/DC doit être contrôlé afin de prendre en compte les dynamiques du système à énergies renouvelables. En particulier, il a été décidé dans le cadre du projet de recherche interdisciplinaire de contrôler l’une de ces deux variables à un point de fonctionnement spécifique afin d’optimiser l’efficacité globale du système incluant le convertisseur de puissance et l’électrolyseur. Ce point de fonctionnement peut être déterminé en faisant une étude approfondie de l’efficacité énergétique de l’ensemble du convertisseur de puissance et de l’électrolyseur.

La problématique scientifique à laquelle les chercheurs s’attaquent concerne deux technologies d’électrolyseurs, à savoir la technologie alcaline et celle à Membrane échangeuse de protons (PEM). L’enjeu est de déterminer laquelle est la mieux adaptée pour permettre un fonctionnement efficace et, si possible, rentable, de l’électrolyseur avec une alimentation électrique via des énergies renouvelables (éolien et panneau photovoltaïque). De plus, il faut noter que le coût de l’hydrogène produit dépend également du type et de la puissance de la source d’énergie, ce qui est un point clé lorsque l’on utilise des énergies renouvelables.

Dans le cadre de cette action de recherche interdisciplinaire, une plateforme expérimentale, appelée H2-ENR1 , a été développée. Elle est dédiée à l’utilisation de l’hydrogène dans le cadre des énergies renouvelables et du stockage de l’énergie. Cette plateforme est actuellement utilisée pour caractériser et synthétiser des lois de commande pour deux technologies d’électrolyseurs, alcalins et PEM.

Les activités de recherche sur cette plateforme permettront notamment le développement de convertisseurs de puissance pour électrolyseurs et porteront sur la gestion d’énergie des systèmes multi-sources composés de sources d’énergie renouvelables, et de technologies à hydrogène (pile à combustible et électrolyseur), ainsi que l’élaboration de modèles et de lois de commande pour ces systèmes.

• 1Utilisation de l’hydrogène dans le cadre des énergies renouvelables et du stockage de l'énergie. Plate-forme CRAN mutualisée avec le GREEN et l'IUT Henri Poincaré de Longwy