IV.1. INTRODUCTION, OBJECTIFS
Dans le contexte des travaux menés au sein de l'équipe « Système » du LEEI sur les systèmes de conversion d'énergie mettant en œuvre les composants électrochimiques nouveaux de stockage et/ou production décentralisée de l'énergie électrique, nous avons engagé le projet « GESSAPAC » : Groupe Electrogène Statique et Silencieux A Pile A Combustible. Le but est d'aboutir à la réalisation d’un réseau alternatif 127V-50Hz, autonome de petite puissance, utilisant une pile à combustible de type PEM comme source d’énergie principale (au sens défini au chapitre III), mais plus encore de valider les méthodologies et modèles à mettre en œuvre pour étudier ce type de système à caractère très générique. Cette étude a été initiée dans le cadre d'une action incitative du département CNRS - STIC sur le thème de « l'énergie portable ».
Un groupe électrogène remplit précisément la fonction « génération décentralisée d'électricité ». Dans sa version domestique classique à moteur thermique, il présente plusieurs inconvénients. Il est très bruyant et il est surdimensionné pour permettre le démarrage de certains appareils électriques comme les congélateurs ou les pompes, ce qui n'est guère favorable à un rendement nominal pénalisé par principe [TURPIN].
Nous avons vu que la pile à combustible n'est pas affectée par ces inconvénients : silencieuse, un fonctionnement déclassé en sous-régime nominal améliore au contraire son rendement. Cependant, afin d'éviter un surdimensionnement de la PAC pénalisant en terme de coût, nous avons choisi pour le GESSAPAC une structure exploitant deux sources d'énergie électrique aux propriétés complémentaires : une source d’énergie réalisée par la pile à combustible et une source de puissance réalisée, soit par des supercondensateurs, soit par des accumulateurs. L'originalité de l'étude est renforcée par le choix d'un onduleur survolteur pour atteindre la
tension de sortie utile. Naturellement, la pertinence de ces choix doit être confirmée ou infirmée par l'étude.
L'architecture générale de principe que nous avons retenue, justifiée au paragraphe suivant, est représentée sur la figure IV-1.
PAC Nœud électrique Elément de stockage Onduleur boost Charge
Figure IV-1 : Architecture électrique d’un groupe électrogène à pile à combustible
Il faut naturellement y ajouter les convertisseurs nécessaires à la gestion de l'énergie. On peut y reconnaître une architecture très générique que l'on retrouve dans de très nombreux autres systèmes énergétiques : c'est aussi, par exemple, l'architecture d'une microcentrale autonome ou d'un véhicule hybride série ou encore du véhicule solaire que nous présentons au chapitre suivant. Elle rassemble donc une bonne part des problèmes posés par une démarche de « conception simultanée : architecture/gestion d'énergie/dimensionnement » :
ü quelle architecture pour interconnecter les différents éléments ?
ü quelle gestion d'énergie associée en fonction de profils de consommation, combien de degrés de liberté énergétiques et combien de convertisseurs ?
ü quel niveau de tension continue, quel empilement optimal de cellules de pile à combustible ?
ü quelle solution pour obtenir la tension normalisée de 230V, quelle électronique de puissance ouvrant sur des solutions originales (transformateur, structures survoltrices) ?
ü quel stockage d'appoint, si nécessaire, pour démarrer, monter la pile en température, fournir les appels de puissance, offrir une réversibilité, passer la puissance fluctuante (Plomb-Acide, Lithium-Ion, supercondensateur) ?
ü quels dimensionnements des composants ?
ü quel approvisionnement en combustible en amont (hydrogène, reformeur…)
Ajoutons un objectif de réalisation d’un démonstrateur du groupe électrogène GESSAPAC à partir du matériel disponible au laboratoire (pile à combustible PEM, accumulateur Lithium- Ion et supercondensateurs) qui participe à l'élaboration d'un cahier des charges réaliste.
IV.2.1. Architectures et degrés de liberté [SIFFLET]
L’utilisation de deux sources d’alimentation, une principale d’énergie et une de puissance (voir définition chapitre III), impose de nouvelles structures de gestion de l’énergie électrique. Pour choisir la topologie qui sera utilisée dans le groupe électrogène, il est indispensable d’étudier les avantages et les inconvénients des différentes solutions envisageables. L’utilisation d’une pile à combustible fixe des contraintes différentes de celles rencontrées avec des batteries d'accumulateurs. Tout d’abord, la tension et le courant de la pile sont liés rigidement par une caractéristique statique relativement fixe dans le temps car il n’y a pas de phénomène de décharge (chapitres I et III). De plus, la pile n'offre pas de réversibilité instantanée en puissance : son courant est unidirectionnel et si l’on veut récupérer de l’énergie, il faudra disposer d'un élément de stockage. Enfin, la dynamique imposée à la pile ne doit pas être trop rapide, pour éviter les changements d’humidification difficiles à contrôler ou même des noyages.
Au vu de ces quelques éléments, il est indispensable d’utiliser un élément de stockage pour permettre, non seulement le pics de puissance, notamment au démarrage, mais également la réversibilité en courant.
On peut alors proposer l'architecture générale suivante :
Hacheur HS PAC Onduleur Survolteur Dispositif de stockage Hacheur HG Charge Nœud de confluence des puissances
Figure IV-2 : Architecture électrique générique d'un groupe électrogène à pile à combustible avec stockage
Le bus à courant continu constitue une colonne vertébrale énergétique habituelle dans ce type de système, il constitue un nœud de confluence des puissances électriques du producteur, du consommateur et du stockage, puissances dont la répartition se fait sous le contrôle dynamique de la gestion de l'énergie au sein du système grâce aux degrés de liberté offerts par le stockage et les différents convertisseurs .
Il se représente comme une jonction « 0 » équipotentielle en bond graph.
pour constituer un dispositif de stockage idéal à tension contrôlée (Chapitre III), mais de nombreuses autres stratégies sont possibles. Ce pilotage à tension contrôlée est étudié en détail au chapitre V.
On peut supposer que l'onduleur dispose d'une variable permettant de régler une consommation énergétique correspondant au service demandé qui la détermine. L'architecture générale proposée procure donc deux degrés de liberté énergétiques par les convertisseurs continu / continu HG et HS. On peut chercher à en réduire la complexité sur des applications particulières. En effet le partage de la puissance entre la PAC et le dispositif de stockage ne nécessite qu'un seul degré de liberté a priori.
On peut alors distinguer et envisager plusieurs solutions :
ü architecture à deux degrés de liberté avec les convertisseurs HG et HS ;
ü architecture à un degré de liberté avec connexion directe du stockage au nœud, la PAC étant associée au convertisseur HG ;
ü architecture à un degré de liberté avec connexion directe de la PAC au nœud, le stockage étant associé au convertisseur HS.
ü architecture à zéro degré de liberté avec connexions directes de la PAC et du stockage au nœud.
Une étude systématique de ces solutions candidates a été menée à bien. Précisons que le dimensionnement des éléments de filtrage, inductances et capacités, est également déterminant dans le bilan comparatif, il doit donc y être intégré.
IV.2.2. Elévation de tension
La conversion de tension DC/AC constitue une fonction incontournable de l'électronique de puissance [FOCH 1][FOCH 2]. Les domaines d'applications sont des plus variés. Les plus connus demeurent les alimentations de secours et la variation de vitesse des machines à courant alternatif. La forte évolution de cette fonction s'est appuyée, d'une part, sur le développement de composants semi-conducteurs entièrement commandables (amorçage et blocage), puissants, robustes et rapides, et d'autre part, sur l'utilisation quasi-généralisée des techniques dites de « Modulation de Largeur d'Impulsion » (MLI) ; ces dernières s'appuyant sur les performances en fréquence de découpage permises par les premiers.
Un exemple de configuration typique à fréquence fixe est celui de l'onduleur de tension pour les alimentations de secours qui permet de pallier les défaillances d'un réseau alternatif en recréant un système équilibré de tensions alternatives à partir de batteries. A noter que les applications de production décentralisée d'énergie électrique (absence du réseau principal d'alimentation) à partir de sources diverses (pile à combustible, générateur photovoltaïque, aérogénérateur…) constituent un domaine de prédilection pour l'onduleur de tension. En effet, la majorité de ces sources fournissent l'énergie électrique sous forme d'un bus de tension