Soutenance de thèse de Nicola BENVENUTI
doctorant au Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302
sur "Optimisation technico-économique d'une station de remplissage hydrogène gazeux comprimé;
Application aux stations de grande capacité (plus de 1t/jr)"
mercredi 17 décembre à 14h00
Amphi 1 - IMT Mines Albi
THÈSE CONFIDENTIELLE
Composition du jury
• M. Christophe COQUELET : Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Directeur de thèse
• M. Jean-Louis DIRION : Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Co-directeur de thèse
• M. Thomas GUEWOUO : ENGIE Lab CRIGEN - Co-encadrant de thèse
• M. Georges KARINIOTAKIS : Mines Paris PSL - Sophia Antipolis - Examinateur
• M. Jean-Michel RENEAUME : Université De Pau Et Des Pays De L'adour - Rapporteur
• Mme Diane THOMAS : Université de Mons - Examinatrice
• M. Andrea MICHIORRI : Mines Paris PSL - Sophia Antipolis - Rapporteur
• M. Mathieu MILHE : Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Co-encadrant de thèse
Résumé
Les véhicules lourds représentent plus de 25 % des émissions de gaz à effet de serre du transport routier dans l’Union européenne, soit environ 6 % des émissions totales. Afin d’atteindre l’objectif de neutralité carbone d’ici 2050, la Commission européenne a introduit des réglementations visant à stimuler les investissements dans les technologies zéro émission — telles que les véhicules à pile à combustible hydrogène — et à accélérer le déploiement des infrastructures de ravitaillement. Le secteur fait toutefois face à des défis majeurs, notamment la disponibilité limitée des stations de ravitaillement en hydrogène (HRS) et le coût élevé de l’hydrogène dans les stations existantes. Ce coût est principalement lié aux dépenses d’investissement nécessaires à la construction de HRS, combinées à une faible demande due au nombre limité de véhicules lourds à pile à combustible en circulation. La standardisation des architectures de HRS pourrait permettre une production en série, réduisant ainsi CAPEX et OPEX, mais exige une conception optimisée. La modélisation thermodynamique constitue un outil essentiel pour simuler le comportement réel des stations, évaluer différentes configurations et les optimiser à la fois techniquement et économiquement. Cette thèse propose une méthodologie innovative d’optimisation des architectures de HRS combinant la modélisation thermodynamique — conçue comme un système de composants — et la modélisation technico-économique des coûts d’investissement et d’exploitation dans un cadre unique. Le modèle thermodynamique développé, nommé HyFill, adopte une approche par blocs où chaque composant est représenté par des corrélations zéro-dimensionnelles ou pseudo-unidimensionnelles, combinant bilans de masse et d’énergie avec des caractéristiques spécifiques. Une validation partielle a montré que le modèle de réservoir prédit la température finale de ravitaillement avec une précision de ±3 °C. Les propriétés de l’hydrogène sont modélisées au moyen d’un réseau de neurones artificiel entraîné sur des données générées à partir de l’équation d’état GERG 2008, garantissant une précision de 0,5 % dans la plage 1–200 MPa et 233–373 K, tout en réduisant le coût de calcul par rapport aux méthodes classiques. Le modèle complet simule l’ensemble des composants, du compresseur au stockage véhicule, dans des scénarios complexes tels que des ravitaillements successifs de camions, représentatifs des conditions réelles d’exploitation. Cette méthodologie permet ainsi d’analyser et de comparer différentes configurations de HRS. Le modèle technico-économique utilise la configuration et la taille des composants de la station pour estimer le CAPEX, et exploite les résultats de simulation — consommation d’énergie et hydrogène distribué — afin d’évaluer l’OPEX, les revenus et le coût nivelé de l’hydrogène. L’outil d’estimation du CAPEX, comparé à des devis industriels, a montré une précision de ±10 %. La combinaison des modèles thermodynamique et économique constitue la fonction objectif d’un problème d’optimisation visant à minimiser le coût nivelé de l’hydrogène ajouté par la station, hors coût de production. Un algorithme génétique a été appliqué, optimisant la capacité du compresseur et la conception en cascade (pressions, volumes et nombre de niveaux). Les résultats montrent que l’algorithme identifie des configurations permettant de réduire le coût de l’hydrogène tout en garantissant des performances de ravitaillement satisfaisantes. Toutefois, les solutions obtenues représentent des minima locaux, plusieurs configurations pouvant répondre aux mêmes critères. Pour une station d’une capacité de 1000 kg·jour⁻¹, la conception optimisée devrait livrer de l’hydrogène avec un surcoût compris entre 3 et 4 €·kg⁻¹. À l’avenir, la méthodologie devra être appliquée à des cas réels plus contraints, avec des exigences techniques renforcées, afin d’en évaluer pleinement le potentiel.
Mots clés
Hydrogène, stations de ravitaillement en hydrogène, modélisation thermodynamique, optimisation, logique de contrôle, analyse technico-économique.
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