Méthodologie de modélisation et de caractérisation en régime transitoire d'électrolyseurs pour la production d'hydrogène vert

L'hydrogène vert jouera presque assurément un rôle important dans la transition énergétique mondiale. Le Québec, en tant que grand producteur d'énergie renouvelable, a le potentiel d'être un acteur important du développement de l'électrolyse de l'hydrogène. L'hydrogène sera amené à jouer un rôle de vecteur énergétique pour des applications qu'il est difficile d'électrifier avec des batteries électrolytiques. Il possède une grande densité énergétique massique qui rendrait possible de fournir en énergie des applications qui demandent une grande capacité énergétique (comme le transport maritime et les communautés éloignées), pour lesquels le poids est un enjeux important (comme le transport aérien) ou pour lesquels le temps de recharge est un enjeu (comme certains cas de transport routier léger). De plus, l'intégration d'électrolyseurs comme charges intelligentes peut participer à stabiliser un réseau de puissance. Ce mémoire présente une revue de littérature large du rôle de l'hydrogène dans la transition énergétique, des technologies d'électrolyse et de pile à combustible et des méthodes de modélisation d'électrolyseurs. Deux modèles d'électrolyseurs (par circuit équivalent et par schéma-bloc) sont ensuite présentés et leurs méthodes de caractérisation sont décrites. Les modèles ne prennent pas en compte l'effet de la température ni les pertes de concentration afin de rester simples, mais l'ajout de la dépendance en température devrait être une priorité des recherches futures. Afin d'être facilement utilisables, les modèles sont mis en place sur le logiciel de simulation Simulink. Finalement, les prédictions des modèles sont comparées aux résultats d'un montage expérimental. Parmi les deux modèles présentés, le modèle par schéma-bloc semble le plus adapté à prédire le comportement de l'électrolyseur. Notamment, il présente une dépendance en courant logarithmique du terme transitoire, similaire aux résultats expérimentaux observés. Comparativement au modèle par circuit équivalent, il présente une erreur trois fois plus faible lors de la validation des résultats et possède une méthode de caractérisation plus simple et plus précise.

Abstract

Green hydrogen will surely play an important part in the world's green energy transition. Quebec, with its large renewable energy production, has the potential to be a leader in the developement of hydrogen electrolysis. Hydrogen will most likely be used as an energy vector for applications that are difficult to power using electrolytic batteries. It is characterised by a large energy capacity for its mass that makes it an interesting option to provide power to applications requiring considerable energy quantities (such as marine transport or remote communities), applications for which weight is a curcial issue (such as air travel) or for which the recharge time is important (such as certain light road transport). Furthermore, the integration of electrolysers as smart loads can help stablilyze a power network. This thesis features a broad literature review of green hydrogen's role in the energy transition, of electrolysis and fuel cell technologies and of electrolysis modelisation methods. Afterwards, two models (an equivalent circuit model and a block scheme model) are presented and their characterisation methods are described. The models do not take for account the effects of temperature or concentration loss to stay simple, but adding the temperature dependency should be a priority for future works. In order to make them accessible, the models have been implemented on the Simulink simulation program. Finally, the models' predictions have been compared to experimental results in order to validate them. The block scheme model seems more adapted to predict the electrolyser's response. Its transient response presents a logarithmic dependency to current which fits the experimental results. Compared to the equivalent circuit model, the error between the model's prediction and the experimental results is three times lower and its characterisation method is simpler and more precise.