Energy optimization of a fuel cell micro-cogeneration system : experimentation and modeling

Optimisation énergétique d'un système de micro-cogénération à pile à combustible : expérimentation et modélisation L’objectif de cette étude est de développer un modèle dynamique d’un système de micro-cogénération à pile à combustible pour une application résidentielle, avec une production et un stockage local d’hydrogène. La pile à combustible utilisée est une pile à membrane échangeuse de protons, en raison de sa longue durée de vie et de sa haute compatibilité avec les cycles marche/arrêt. La première partie du travail consiste à construire un modèle mathématique du système pile à combustible et calculer les demandes thermiques et électriques horaires d’une maison d’habitation. Le dimensionnement du modèle est basé sur le système de micro-cogénération, première et deuxième génération, « VITOVALOR » proposé par VIESMANN et PANASONIC. Le modèle est validé en se basant sur les résultats obtenus à partir des tests expérimentaux du système de micro-cogénération installé au laboratoire. Le banc, composé principalement de l’unité VITOVALOR, est équipé de tous les composants nécessaires pour contrôler et collecter les mesures. Différents tests expérimentaux sont réalisés et utilisés pour valider le modèle proposé. Dans un premier temps, une simulation dynamique est réalisée pour étudier les performances temporelles du système pour des demandes thermiques variables. L’étude est faite pour une maison d’habitation de 120 m2, composée de trois personnes et située à Caen, en France. En outre, l’effet des demandes thermiques sur le fonctionnement de la pile à combustible a été étudié en détail en analysant sa température de retour d’eau, les heures de fonctionnement, la production d’énergie et le nombre d’arrêts. De plus, une unité de production et de stockage d’hydrogène a été développée et intégrée au modèle développé du système. Cette unité est composée de modules photovoltaïques, d’une éolienne, d’un électrolyseur et de réservoirs de stockage d’hydrogène. En fonction des demandes thermiques et électriques de la maison étudiée, le système dimensionne les sources renouvelables nécessaires et les réservoirs d’hydrogène requis. À l’étape finale, la réponse du système pour différents cas d’étude a été examinée, en faisant varier la surface et le niveau d’isolation de la maison. Les taux de couverture électrique, thermique et d’hydrogène du système sont évalués.La deuxième partie des travaux consiste à étudier le stockage solide de l’hydrogène dans les hydrures métalliques. Cette technologie offre de nombreux avantages et a été choisie pour être intégrée au système de micro-cogénération développé. Par conséquent, nous avons mis en place un banc d’essais sur le stockage d’hydrogène et un modèle numérique pour étudier le comportement thermique des matériaux de stockage. Nous avons étudié l’impact des paramètres de fonctionnement (pression, température) et des différentes modes de refroidissement/chauffage sur le temps de charge/décharge. Enfin, le couplage thermique des réservoirs d’hydrure métallique avec le modèle développé, pour stocker l’hydrogène produit à partir des énergies renouvelables, a été étudié énergétiquement.