PREUVES DE CONCEPT
Les preuves de concept proposés dans le cadre du projet ont pour objectif de structurer les recherches entreprises dans chaque pilier du projet COAMSYS, et d’assurer une visibilité des recherches auprès du monde socio-économique. Ainsi chaque preuve de conceept reprend des concepts élaborés au sein des quatre piliers et du socle méthodologique. Elles ont également une vocation de formation en permettant les travaux d’étudiants dans le cadre de projets et de stages, et assureront le support matériel des thèses entreprises dans le cadre du projet.
Deux preuves de concept sont d’ores et déjà envisagées : la première porte sur la chaîne de l’hydrogène, de la production « verte » jusqu’à l’utilisation en passant par le stockage, l’électrolyse, les piles à combustible, jusqu’au véhicule à hydrogène. La seconde porte sur un ensemble micro-générateur d’énergie fondé sur la récupération multiple d’énergie et son stockage, afin d’alimenter des capteurs spécifiques. Cette seconde preuve de concept peut être installée dans le véhicule de la première afin par exemple d’assurer une surveillance ou un pilotage assisté.
Preuve de concept n°1: Chaîne de l’hydrogène, de la production renouvelable à l’utilisation dans un véhicule
Le principal objectif de cette preuve de concept est de mettre en valeur les avancées technologiques du projet dans l’ensemble des étapes de production de l’hydrogène vert, de son stockage, de sa transformation en électricité, de son utilisation dans un système embarqué tel un véhicule électrique, de la gestion d’énergie qui est nécessaire et de sa supervision.
Les activités de recherche concernent la résolution de verrous technologiques et fondamentaux tels que :
- La gestion optimale des sources intermittentes d’énergie renouvelable que sont les éoliennes ou les panneaux solaires pour assurer la disponibilité de l’énergie ;
- L’étude de la faisabilité technique (conforter l’upscaling) pour la conception industrielle d’électrolyseur (modélisation multiphysique) ;
- L’implémentation d’algorithmes en ligne pour la gestion de la santé et le pronostic (maintenance prédictive) des installations à hydrogène vert, la valorisation de l’hydrogène vert (power to power) par pile à combustible de type PEMFC et SOFC ;
- La production de nouveaux carburants par catalyse (DME) (power to gaz).
En bout de chaîne, la gestion d’énergie d’un véhicule à motorisation électrique et sources hybrides (PàC + batteries, super caps) constitue également un verrou à lever sur le point de l’optimisation en temps réel de la dynamique du véhicule, mais aussi de son autonomie, voire de sa durée de vie. Ces thématiques de recherche font déjà l’objet de travaux transversaux (CRIStAL, UCCS, L2EP).
Déjà utilisée pour des projets de Master (SMART FST U-Lille, Polytech), la plateforme multi-sources d’énergie sera utilisée en compléments avec d’autres plateformes telles Realcat et « e-V » pour des formations de type Master dans le cadre de la graduate School (Institut d’ingénierie Lillois) et dans les domaines de « Système de production de H2 », « Usage Pile à combustible », « Usage de la molécule d’H2 », « contrôle et sécurité », « Energies renouvelables «, « transports électrifiés », etc.
La preuve de concept sera constituée d’une plateforme de génération d’électricité d’origine renouvelable générée par des éoliennes et/ou des panneaux solaires. Cette électricité permettra de générer de l’hydrogène par électrolyse de l’eau à basse température. L'hydrogène produit sera stocké dans des bouteilles sous forme gazeuse ou dans des bornes de recharge développées dans le cadre du projet, pour être utilisées ultérieurement dans des piles à combustible à basse température de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ou à SOFC. L’énergie électrique est ainsi disponible à tout moment pour une utilisation dans le domaine du transport et/ou du tertiaire. Ces piles seront testées dans un véhicule hybride à PàC et batteries et/ou supercaps dont la gestion d’énergie sera optimisée selon différents critères.
Dans un autre ordre d’idées, l’hydrogène vert produit par l'électrolyseur sera utilisé avec du dioxyde de carbone pour produire de l'Éther Diméthylique (DME) ) Realcat (UCCS, centrale Lille). Dans ce domaine des travaux communs sont développés avec UCCS.
Les sources d’énergie renouvelable et l’électrolyseur seront englobés dans la plateforme de production d’hydrogène vert (Polytech Lille). Suite au stockage de l’hydrogène, la dimension « power to power » sera supervisée au sein de la Plateforme à Véhicule Hybride (FST). Les dimensions « power to industry », « power to gaz » et « power to liquid » seront comprises dans la Plateforme Realcat (UCCS, Centrale Lille).
Preuve de concept n°2: Micro-générateur d'énergie
L'objectif de cette preuve de concept est avant tout de démontrer la faisabilité de récupérateurs multi-sources, c’est-à-dire associant au moins deux gisements d'énergie d'origines différentes : la récupération d'énergie à partir d'ondes électromagnétiques, de la déformation d'une structure ou d'effets thermo-électriques. Il faudra pour cela réussir à produire des structures complexes, par exemple multicouches : chaque couche étant prévue pour l'exploitation d'un type de gisement. Nous nous plaçons ici dans le cas de substrats souples et de grandes tailles sur lesquels travaillent déjà les chercheurs de l'UMET, de l'IEMN et du GEMTEX.
Il s'agit également d'intégrer au mieux le dispositif de stockage dans le système. On imagine ici une solution de stockage discrète, mais répartie, afin de conserver le caractère souple du micro-générateur. Il faudra donc assurer que les éléments de stockage soient suffisamment petits, et donc présentent une densité volumique d'énergie ou de puissance suffisante, pour qu'ils n'influencent pas la capacité de récupération des générateurs. La gestion énergétique de l'ensemble devient une question cruciale, nécessitant la recherche de solutions permettant à la fois une gestion globale de l'énergie récupérée au niveau du récupérateur, ainsi que l'imposition de lois de gestion spécifiques à chaque élément de stockage. Cette gestion énergétique découlera d'un modèle du système. Un verrou concernera la mise en œuvre pratique dans le cadre de faibles puissances à convertir. On imagine en effet que la puissance produite au niveau de chaque élément soit de l'ordre de 100µW.
La preuve de concept prend donc la forme d'une « peau active » combinant tous les aspects de la récupération d'énergie : le récupérateur, le stockage et la gestion d'énergie. Fruit d'un travail multi-disciplinaire, cette preuve de concept procurera une solution de récupération polyvalente et adaptable (en dimension) à différents cas de figure, comme l’alimentation de capteurs intégrés à des vêtements.
Un rayonnement est illustré en haut à gauche, au-dessus de la peau active composée d’une structure déformée, avec au centre un réseau (énergie), des capteurs de stockage et gestion d’énergie ainsi qu’une partie dédiée aux récupérateurs d’énergie.
