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Aide à la décision pour le déploiement de l'hydrogène comme vecteur énergétique à l'échelle d'un territoire.

Aide à la décision pour le déploiement de l'hydrogène comme vecteur énergétique à l'échelle d'un territoire.

Decision support for the deployment of hydrogen technologies at the scale of a territory

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et génie des procédés

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

GIRARD Robin

Co-encadrant

AFFONSO NÓBREGA Pedro Henriqu

Unité de recherche

Energétique et Procédés

Contact
Date de validité

01/10/2020

Site Web
Mots-clés

Transition énergétique, Hydrogène, Etude prospective, Planification, Optimisation des investissements

Energy transition, Hydrogen, Prospective studies, Planning, Investments optimization

Résumé

Contexte et enjeux :
Les sources d'électricité d'origine renouvelable prennent une part de plus en plus importante dans les mix énergétiques. La dépendance de la production correspondante aux conditions météorologiques (ensoleillement, régimes hydrologiques, vents, etc.) est un frein important à leur développement vis-à-vis duquel il existe plusieurs types de solutions. Celles-ci agissent à différentes échelles d'espace et de temps, parfois de manière concurrente : pilotage de la demande, pilotage à la baisse de la production renouvelable, interconnexions à grande échelle des réseaux, stockage d'électricité sous forme mécanique ou chimique, conversion de l'électricité sous forme de méthane, d'hydrogène ou de chaleur. Dans ce contexte, et vis-à-vis des autres solutions la place de l'hydrogène fait question. Il peut être produit non seulement à partir d'électricité via l'électrolyse de l'eau, mais aussi à partir du gaz naturel ou d'autres combustibles d'origine fossile ou renouvelable. Inversement, il peut être utilisé pour produire de l'électricité ou du gaz naturel, apportant de la flexibilité aux systèmes. Produit par voie renouvelable, l'hydrogène permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et la pollution associées à un certain nombre de secteurs industriels (chimie, sidérurgie, fertilisants), aux transports et même au chauffage. Les solutions techniques telles que les électrolyseurs, les réservoirs haute-pression ou les piles à combustible qui permettent l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique deviennent de plus en plus performantes et accessibles, avec de nombreux projets de démonstration et même commercialisation en cours.
Cependant, le déploiement de solutions mettant en œuvre l'hydrogène ne peut être dissocié d'une analyse globale de la transition énergétique à l'échelle du territoire, prenant en compte ses ressources naturelles, les infrastructures existantes mais aussi l'évolution de l'offre et de la demande. L'expertise technique nécessaire à ce type d'analyse n'est pas toujours à la disposition des territoires. L'enjeu est donc de proposer une méthode d'aide à la décision adaptable à une grande diversité de situations et intégrant des solutions techniques avancées pour l'utilisation de l'hydrogène en tant que vecteur énergétique, ainsi que ses alternatives (batteries pu autres moyens de stockage).

Objectifs scientifiques :
L'objectif scientifique vis-à-vis de cet enjeu réside dans la mise en place de méthodes quantitatives d'aide à la décision : (i) qui permettent d'assister dans leur démarche de planification ou d'optimisation d'investissements une diversité d'acteurs locaux, (ii) qui puisse s'adapter à un grand nombre de contextes territoriaux différents, (iii) et qui intègre en même temps une modélisation réaliste des solutions techniques et composants du système. Même si une modélisation détaillée des différentes technologies est visée, l'approche d'aide à la décision développée devrait être « technology-agnostic » afin de permettre l'obtention des résultats non-biaisés par rapport à une technologie particulière.
Les problématiques vis-à-vis de la mise en place de cette méthode résident : (i) dans le choix des données d'entrée et modèles qui permettent de décrire un cas particulier, avec un compromis entre le niveau de détail et l'adaptabilité de l'outil ; (ii) dans les méthodes permettant de décliner et optimiser les alternatives sous formes de scénarii qui doivent traduire les objectifs d'utilisateurs et tenir compte de la diversité des cas à explorer :(iii) dans la forme et le contenu de la communication des résultats de simulation qui doivent permettre à l'utilisateur de pouvoir faire un choix à la fois libre et éclairé et (iv) dans la capacité de modéliser d'une manière générique différentes typologies de territoires (i.e. villes, bassins industriels) afin de permettre une réplicabilité de l'approche développée dans différents contextes.

Approche – Méthodes :
La première étape de ces travaux de thèse sera une recherche bibliographique et une analyse technico-économique des processus existant autour de la production, du stockage, du transport et des usages de l'hydrogène, ainsi que ses alternatives. En parallèle il s'agira de comprendre les travaux précédents développés au centre PERSEE sur des sujets périphériques. Ceux-ci ont permis l'élaboration de plusieurs outils d'aide à la décision pour un territoire (i) pour optimiser la rénovation thermique et les changements de mode de chauffage d'un ensemble de bâtiments, (ii) modéliser la consommation électrique appareil par appareil dans le résidentiel et le tertiaire, (iii) optimiser les flux de puissance dans un réseau électrique. Ensuite, les différentes technologies considérées dans la planification seront modélisées. Pour certaines technologies des modèles adéquates de la littérature seront considérées. La modélisation de solutions techniques passera par la définition et la collecte des données nécessaires et la modélisation des composants d'un système intégrant des solutions hydrogène (par exemple électrolyseurs, véhicules, stations de recharge, …), avec une attention particulière portée aux conditions aux limites (par exemple, échanges avec d'autres territoires, cadre réglementaire et économique, évolution technique et des coûts…). Une application à un cas réel viendra compléter les travaux, qui s'appuieront sur l'expertise des deux groupes de recherche du Centre PERSEE : le groupe ERSEI (« Energies Renouvelables et Systèmes Electriques Intelligents ») pour ce qui est de la modélisation de la demande électrique, la planification dans le réseau de distribution, l'optimisation et la modélisation des incertitudes sur la production EnR et le groupe MATPRO (« Matériaux et Procédés pour l'énergie ») pour ce qui est de la modélisation de systèmes hydrogène.

Résultats :
Le résultat de cette thèse sera un ensemble de méthodologies innovantes pour l'aide à la décision au niveau du territoire, ainsi que des outils informatiques mettant en œuvre ces méthodologies. L'ensemble permettra d'apporter un éclairage original sur la place de l'hydrogène dans les systèmes énergétiques et favoriser son déploiement par les territoires.

Context:
The share of renewable electricity in energy mix is rising each year. The dependence of renewable production on meteorological conditions (solar irradiance, hydrological regimes, wind availability, etc.) is an obstacle which can be tackled by different solutions. These solutions act in different spatial and temporal scales, sometimes simultaneously: demand-side management, large scale network interconnection, mechanical or chemical electricity storage, conversion of electricity into methane, hydrogen or heat. In this context, and regarding other potential solutions, the future role of hydrogen systems is debated. Hydrogen can be produced by electricity by water electrolysis, but also from natural gas or other fossil or renewable fuels. Conversely, it can be used to produce electricity or natural gas, bringing flexibility to systems. Renewable pathways for hydrogen production can reduce greenhouse gas emissions and pollution associated with a number of industries (chemistry, steel, fertilizers), transportation and even heating. Technical solutions such as electrolysers, high-pressure tanks or fuel cells that allow the use of hydrogen as an energy vector are getting more and more performant and accessible, with several demonstration and even commercial projects ongoing.

Scientific goals:
Given that context, the scientific goal is to implement quantitative decision-aid methods: (i) to assist different local actors in their planning or investment optimization activities, (ii) adaptable to a high number of different territorial contexts (iii) while integrating realistic models of technical solutions and system components. Although a detailed modelling is sought, the decision-aid approach must be “technology-agnostic” in order to provide unbiased results for a given technology.
Implementing such methods faces some challenges: (i) in the choice of input data and models allowing for the description of a particular case, with a tradeoff between detail level and adaptability; (ii) in the methods for proposing and optimizing alternative solutions in the form of scenarios based on the user objectives, taking into account the diversity of cases to be explored; (iii) in the presentation of the simulation results that must allow the user to make a free and enlightened decision and (iv) in the capacity to model in a generic way different territory types (cities, industrial basins, etc.) in order to make possible the application of the developed methodology in different contexts.

Approach – Methods:
The first step will be a bibliography research and a technical and economic analysis of processes concerning the production, the storage, the transport and the usages of hydrogen, as well as their alternatives. In parallel, the candidate will need to apprehend previous work undertaken by PERSEE in related topics. These works contributed to the elaboration of different decision-aid tools for a territory (i) to optimize thermal building renovation and change in heating appliances for a group of buildings, (ii) to model electricity consumption for different appliances in the residential and tertiary sectors and (iii) to optimize power flow in an electrical network. Then, different technological solutions considered for planning will be modelled. For some of those solutions, existing models will be taken from the literature. Model development will require the definition and collection of input data and the modelling of system components including hydrogen solutions (electrolysers, fuel cell vehicles, refueling stations, for instance) with particular attention to boundary conditions (exchange with other territories, regulations and economic context, technical evolution and costsÂ…). An application to a real case study will complete that work, that will be supported by the expertise of both PERSEEÂ's research groups: ERSEI (“Renewable Energies and Smart Electric Systems”) for the modelling of power demand, distribution network planning, optimization and modelling of uncertainty on renewable energy production; and MATPRO (“Material and Processes for Energy”) for hydrogen systems modelling.
Results: The result of this thesis will be a set of innovative methods for decision-aid at the territory level, as well as software tools implementing those methods. That will bring an original insight into the role of hydrogen in future energy systems and favor its deployment.

Contexte

...

Encadrement

Un comité de suivi sera défini selon les règles de l'Ecole Doctorale.

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais. Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche, en particulier expérimentale. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Des connaissances de base en physique (thermodynamique, bilans de matière et énergie, génie électrique), ainsi qu'une bonne connaissance du domaine de l'énergie en général. Des compétences en mathématiques appliqués et en programmation informatique (i.e. en Python, MATLAB et/ou R) sont également nécessaires. Une connaissance de la filière hydrogène est un plus. Le candidat devra être motivé par le travail d'équipe et le contact avec des acteurs/partenaires externes (entreprises, collectivités, etc).

Pour postuler, envoyer CV et lettre de motivation à Robin GIRARD (robin.girard@mines-paristech.fr) et Pedro AFFONSO NOBREGA (pedro.affonso_nobrega@mines-paristech.fr)

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Research Master - Good level of general and scientific knowledge. Good level of practice of French and English. Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity, in particular experimental. Coherent professional project.
Prerequisites (specific skills for this thesis): Basic knowledge of physics (thermodynamics, matter and energy balances, electrical engineering), as well as a good knowledge of the energy field in general. Skills in applied mathematics and computer programming (i.e. in Python, MATLAB and / or R) are also required. Knowledge of the hydrogen industry is a plus. The candidate must be motivated by teamwork and contact with external actors / partners (companies, communities, etc.).

To apply: send CV + a cover letter to Robin GIRARD
(robin.girard@mines-paristech.fr) and Pedro AFFONSO NOBREGA (pedro.affonso_nobrega@mines-paristech.fr)

Références

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Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Partenariat/contrat

en cours de discussion - contrat doctoral ou CIFRE

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