Avancées techniques majeures avec le démonstrateur SMARTHyES
Le démonstrateur SMARTHyES (pour SMART Hydrogen Energy Storage) finalisé par le CEA-Liten et Sylfen en avril 2018 intègre trois avancées majeures dans la road-map conduisant d’une technologie laboratoire à un produit commercial : (1)Conception du sous-système d'électrolyse réversible, (2)Pilotage du sous-système d'électrolyse réversible, et (3)Hybridation et intégration fonctionnelle.
| Prototype SYDNEY CEA (2016) |
Démonstrateur SMARTHYES CEA/SYLFEN (2018) |
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| TRL | 4 | 5 |
| Conception du sous-système d’électrolyse réversible
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Alimentation en fluides par le laboratoire ; mesure de la production d’hydrogène puis évacuation de l’hydrogène par les évents ; mesure de la consommation / production d’électricité dissipée dans une charge de laboratoire ; pas de mesure de la chaleur produite.
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Alimentation en eau industrielle et gaz naturel du réseau ; compression, stockage et réutilisation de l’hydrogène produit ; couplage au réseau électrique triphasé en consommation et réinjection de puissance ; mesure de la chaleur produite.
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| Pilotage du sous-système d’électrolyse réversible
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Contrôle-commande de laboratoire : pilotage manuel individuel de chaque débit et consigne de courant ou tension par un ingénieur expert de la technologie.
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11 points de fonctionnement sont pré-programmés ; basculement automatique d’un point à l’autre en fonction de la consigne générée par la supervision.
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| Hybridation et intégration fonctionnelle | Aucune intégration | Hybridation avec des batteries Li-ion (10kWh) et une première génération de supervision intelligente. |
Un système autonome hors environnement de laboratoire : le prototype SYDNEY développé par le CEA en 2014-2015 fonctionnait à Grenoble en environnement de laboratoire qui gérait notamment toutes les alimentations en fluides (eau désionisée, air comprimé purifié, hydrogène de laboratoire, CH4 synthétique) et en électricité. Le démonstrateur SMARTHYES est au contraire parfaitement autonome : il est couplé au réseau électrique et n’a besoin que d’une alimentation en eau industrielle et de gaz naturel du réseau.
L’hydrogène produit n'était pas valorisé, dans la version laboratoire. Il est aujourd’hui récupéré et comprimé pour être stocké dans des bouteilles. Ce système a été défini conjointement par le CEA-Liten et Sylfen puis conçu et réalisé par la société AUTOCLAVE-MAXITECH. Stocké à 200 bars, l’hydrogène est ensuite réutilisé par le système lorsqu’il fonctionne en mode pile à combustible.
Enfin, le démonstrateur intègre un système de batteries Li-ion de 10kWh, développé et livré par la start-up grenobloise ENERSTONE qui y a notamment intégré une innovation en termes de Batterie Management System (BMS) pour gérer l’équilibrage entre cellules.
La réalisation du démonstrateur a été également rendue possible par les apports des sociétés DEMS (design), AEI (intégration) et EMISYS (études et conduite de projets).
Un fonctionnement flexible et automatisé : trois niveaux de puissance sont atteignables dans chacun des trois modes de fonctionnement du système (production d’hydrogène, pile à combustible hydrogène, pile à combustible gaz naturel), soit 9 points de fonctionnement, plus un mode stand-by et un mode sécurité.
Le CEA-Liten a développé et codé les stratégies permettant au système de passer automatiquement d’un de ces points à n’importe quel autre, sans aucune intervention manuelle, ce qui suppose un contrôle dynamique des consignes de débits, pressions et de courant. Chaque transition, à ce stade du développement, dure quelques minutes (la plus longue transition dure 10 min, la durée moyenne est de 6 min). Ces durées pourront être à l'avenir encore sensiblement réduites.
La technologie SOFC/SOEC est donc bien une technologie flexible, capable d’ajuster sa puissance en fonction des besoins client. Et plus besoin d’un expert pour piloter en manuel le système !
Illustration : durée des transitions (en minutes) à la date de mise en service du démonstrateur
Une supervision logicielle orientée service : Sylfen a élaboré et intégré dans ce démonstrateur une première version de sa suite logicielle, qui pilote l’ensemble du système. Cette suite contient un module de supervision, développé par Sylfen dans le cadre d’un partenariat avec la société NOVENER et l’école d’ingénieurs ESISAR à Valence : ce module permet de récolter des prévisions de production d’énergie solaire, de consommation d’énergie d’un bâtiment, et appelle le calcul d’une stratégie de fonctionnement optimisée par un module d’optimisation. Ce module d’optimisation, développé en interne par Sylfen, définit une marche à suivre, qui est ensuite mise en œuvre par le module de supervision. En cas d’écart entre le prévisionnel et la réalité, l’optimisation est relancée.
La suite logicielle Sylfen intègre également une interface-expert et une interface utilisateur simplifiée, permettant une visualisation pédagogique du fonctionnement du système notamment dans le cadre de visites. Elle intègre enfin un ensemble d’outils de big data pour enregistrer, exporter, archiver et exploiter les données de l’instrumentation très fine de ce démonstrateur : 540 données générées chaque seconde !
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