Configuration optimale des systèmes d'énergie distribuée avec l'hydrogène comme vecteur d'énergie selon les critères de durabilité

Optimal Configuration of Distributed Energy Systems with Hydrogen as Energy Carrier under Sustainability Criteria

• Auteur / Autrice : Juan David Fonseca Gamboa
• Direction : Mauricio Camargo-Pardo, Laurent Falk, Iván Darío Gil Chaves
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Universidad nacional de Colombia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe de recherche sur les processus innovatifs (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Melika Hinaje
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mauricio Camargo-Pardo, Laurent Falk, Iván Darío Gil Chaves, Stéphane Negny, Andrea Ramirez Ramirez, Paulo César Narváez Rincón, Julio Cesar Vargas Saenz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Negny, Andrea Ramirez Ramirez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décision multicritère

Ressources énergétiques

Conception technique

Installations énergétiques

Durée de vie (ingénierie)

Mots clés libres

Hydrogène

Évaluation de la durabilité

Énergie renouvelable

Conception de systèmes énergétiques

Électricité-gaz

Optimisation multi-objectifs

Hydrogen

Sustainability assessment

Renewable energy

Energy system design

Power-to-gas

Multi-objective optimization

Résumé

Ce travail se concentre sur la conception de systèmes énergétiques distribués en tenant compte des dimensions de durabilité. Le problème de la conception est abordé au moyen d'une stratégie basée sur l'optimisation qui permet d'intégrer différents vecteurs énergétiques et de multiples unités technologiques comme solutions possibles. L'approche de modélisation prend en compte le fonctionnement variable dans le temps des unités de conversion d'énergie ainsi que le comportement saisonnier du système de stockage. Parallèlement, le problème de l'optimisation multi-objectifs aborde simultanément les aspects économiques, environnementaux et sociaux de la conception du système énergétique. Le coût total annualisé, le coût nivelé de l'énergie, les émissions de CO2, la consommation d'eau, la dépendance au réseau et la sécurité inhérente ont été les indicateurs choisis pour évaluer les dimensions de la durabilité. Deux études de cas ont été analysées pour illustrer le cadre proposé. La première étude de cas est en France et correspond à un système énergétique connecté au réseau conçu pour satisfaire les besoins en électricité et en hydrogène d'un quartier de 1500 habitants. La seconde étude de cas est un système énergétique isolé situé dans une région reculée de l'Amazonie colombienne. Dans un tel cas, l'objectif était de concevoir un système énergétique autonome capable de fournir de l'électricité et du méthane à une communauté de 4200 habitants. Dans un premier temps, l'impact des indicateurs de durabilité sur la conception optimale des systèmes énergétiques a été étudié par le biais d'optimisations à objectif unique. En outre, les conditions de fonctionnement variables dans le temps et le comportement saisonnier des unités de stockage d'énergie ont également été analysés. Par la suite, différents problèmes d'optimisation multi-objectifs ont été abordés en combinant les indicateurs de durabilité. De cette manière, le compromis entre les fonctions objectives a été identifié, et les solutions de Pareto obtenues ont été explorées pour élucider les changements dans la conception et les conditions d'exploitation à travers les solutions non dominées. Dans l'ensemble, ces résultats constituent une information précieuse sur les relations entre les dimensions de durabilité en termes de variables de conception et d'exploitation. En conséquence, l'approche proposée représente un outil utile pour les décideurs afin de prendre des décisions éclairées dès les premières étapes de la conception du système énergétique.

This work focuses on the conceptual design of distributed energy systems considering the sustainability dimensions. The design problem is addressed by means of an optimization-based strategy that enables to integrate different energy vectors and multiple technological units as possible solutions. The modeling approach considers the time-varying operation of the energy conversion units along with the seasonal behavior of the storage system. Meanwhile, the multi-objective optimization problem simultaneously addresses economic, environmental, and social aspects for the design of the energy system. Total annualized cost, levelized cost of energy, CO2 emissions, water consumption, grid dependence, and inherent safety are the selected indicators to evaluate the sustainability dimensions. Two case studies are analyzed to illustrate the proposed framework. The first case study is in France and corresponds to a grid-connected energy system conceived to satisfy the electricity and hydrogen needs of a neighborhood of 1500 inhabitants. The second case study is an isolated energy system located in a remote region in the Colombian Amazon. In such a case, the objective is to design a self-sufficient energy system with the capacity for supplying electricity and methane to a community of 4200 inhabitants. Initially, the impact of the sustainability indicators on the optimal design of the energy systems is investigated through single-objective optimizations. Besides, the time-varying operating conditions and the seasonal behavior of the energy storage units are also analyzed. Subsequently, different multi-objective optimization problems are addressed considering different combinations of the sustainability indicators. In such a way, the compromise among the objective functions is identified, and the obtained Pareto solutions are explored for elucidating the changes in the design and operating conditions throughout the non-dominated solutions. Broadly, these results constitute a valuable information about the relationships between the sustainability dimensions in terms of design and operation variables. Accordingly, the proposed approach represents a useful tool for decision-makers to make informed decisions from early stages in the energy system design.