Optimisation du système PAC

Animateur d’axe : Rochdi Trigui, CR HDR

Différents niveaux de commande et d’optimisation

Que ce soit dans une application de type transport ou de type stationnaire, les systèmes hybrides incluant des Piles à Combustible présentent un niveau de complexité tel qu’une approche systémique faisant appel à la modélisation est nécessaire. Dans ces systèmes,plusieurs niveaux de commande sont à concevoir et à optimiser. Comme le montre la figure 1 pour une application véhicule à SPAC, un niveau de commande locale est nécessaire pour chaque sous système pour assurer son bon fonctionnement. Cette commande communique avec un superviseur global qui a la charge de générer à chaque instant les consignes adéquates pour les différents sous systèmes.

Figure 1 : Différents niveaux de commande d'un véhicule hybride à PAC

L’optimisation selon un ou plusieurs critères de l’ensemble du système (de transport ou stationnaire) peut intervenir à plusieurs niveaux :

      – Optimisation de la conception (ou dimensionnement)

      – Optimisation de la commande locale

      – Optimisation de la commande globale

Le critère d’optimisation peut être simple comme la minimisation de la consommation d’hydrogène pour un usage donné, mais peut intégrer d’autres aspects comme la minimisation des sollicitations transitoires des composants les plus vulnérables pour une meilleure durée de vie. Dans l’optimisation de la conception, l’utilisation des ressources depuis la fabrication jusqu’au recyclage de l’ensemble du système doit être idéalement prise en compte.

Optimisation du système PAC

Pour le cas particulier du sous système SPAC utilisé seul ou dans un système global hybride, les actions d’optimisations sont de même nature que ce qui est évoqué plus haut à savoir l’optimisation du dimensionnement des sous systèmes pour un cahier des charge donné (cœur de Pile, alimentation en hydrogène, alimentation en air, refroidissement, etc.) et l’optimisation de leur commande. Le système de contrôle doit permettre à la pile de fonctionner dans les meilleures conditions possibles : à une température de consigne adaptée (pour la PEMFC : en évitant la condensation de l’eau ou l’assèchement de la membrane électrolytique, etc. ; pour la SOFC : permettant d’entretenir la production électrique, évitant la réoxydation anodique, etc.), à une pression constante (pour la PEMFC : avec peu de différences de pression entre l’anode et la cathode, pour la SOFC en limitant les pertes de charge qui potentialisent la perte d’étanchéité) permettant un rendement optimal, etc.

Le contrôle doit également assurer que la pile et ses sous-systèmes n’atteindront pas des points de fonctionnement pouvant conduire à un défaut (cf. Axe 3). Le contrôle du système PàC doit nécessairement passer par une compréhension du système dans son ensemble et des sous-systèmes le constituant (cf. Axes 1, 2 et 3).  Les objectifs de cet axe sont donc, en s’appuyant sur les résultats des axes 1, 2 et 3, de mettre au point des stratégies novatrices de commande permettant d’assurer à la fois des exigences de performances (dynamiques, rendements, durabilité, …) ainsi que des contraintes de fonctionnement (gamme de températures, humidification, dynamiques de montée en courant…).

Optimisation d’un système hybride incluant une PAC

Pour un usage donné, les performances énergétiques et environnementales d’un système hybride incluant une ou pile à combustible dépendent de trois dimensions fortement couplées :

      – la topologie considérée (éléments de stockage, nombre de convertisseurs, etc.) ;

      – le dimensionnement des composants;

      – la commande (locale et globale).

Figure 2 : Interdépendances pour l'optimisation des systèmes hybrides

D’une part, pour une topologie donnée de système et un dimensionnement donné de ses composants, des commandes globales optimisées selon un ou plusieurs critères peuvent être développées. D’autre part, si la topologie et le type de commande sont fixés, on peut chercher à optimiser la taille des composants pour une utilisation donnée. Idéalement, une optimisation globale incluant les trois dimensions précitées serait la plus pertinente.

Etant donné la complexité attendue, les travaux dans cet axe s’échelonnent sur deux horizons de temps :

– A court terme, développer des commandes optimisées pour des systèmes multi-sources multi-consommateurs incluant des piles à combustible en généralisant les travaux réalisés pour des systèmes hybrides à deux sources. Des méthodes comme la programmation dynamique, le principe de minimum de Pontryaguin ou des optimisations en ligne à base de logique floue peuvent être utilisées, développées et optimisées.

– A moyen et long terme, développer une approche globale d’optimisation couplant les deux aspects conception et commande. Cette optimisation sera nécessairement multicritère afin de réduire l’impact environnemental des solutions étudiées. Dans le cas d’une connaissance fine de l’utilisation du système, ce type de démarche peut se détacher des approches classiques de dimensionnement, qui s’appuient généralement sur la puissance crête, pour aboutir à un dimensionnement adapté à l’usage.

Cette démarche d’optimisation doit fortement s’appuyer sur une modélisation précise des sous systèmes du système hybride global. La modélisation de la pile à combustible et de ses auxiliaires doit constituer un thème privilégié d’échange avec les autres axes de la fédération. Pour la modélisation des autres composants, les collaborations qui existent avec les laboratoires spécialisés au niveau national et international sont à étendre et à renforcer.

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