Analyse, modélisation et optimisation d'un voilier hydro-éolien de production d'hydrogène

Analysis, modelling and optimization of an energy ship for hydrogen production

• Auteur / Autrice : Gaël Clodic
• Direction : Aurélien Babarit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 07/06/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Guillou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Babarit, Sylvain Guillou, Christophe Corre, Grégory Pinon, Pierre Ferrant, Laëtitia Pernod, Luc Bodineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Corre, Grégory Pinon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génération d'hydrogène

Énergies renouvelables

Modélisation CFD

Navires -- Propulsion

Bateaux à voiles

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Voilier hydro-éolien

Hydrogène

Énergie éolienne

Énergies marines renouvelables

Rotors Flettner

Modélisation

Optimisation

Energy ship

Hydrogen

Wind energy

Marine renewable energy

Flettner rotors

Modelling

Optimization

Résumé

Cette thèse porte sur un concept innovant pour la récupération de l’énergie du vent en mer : le voilier hydro-éolien. Dans ce concept, un navire avance grâce à une propulsion éolienne. Des hydrogénérateurs sont fixées sous la coque et produisent de l'électricité. L'électricité est convertie en hydrogène par électrolyse puis stockée à bord. Le voilier hydro-éolien est constitué de nombreux sous-systèmes. Par une méthode d'ingénierie système, la première partie de la thèse propose un outil d'aide à la décision pour le choix des composants technologiques. Une étude de cas sur le choix du système de propulsion éolien du voilier-hydrolienne est réalisée. Parmi cinq technologies de propulsion éolienne (voiles souples et rigides, rotors Flettner, turbo-voiles, ailes de kite), les rotors Flettner sont sélectionnés. Dans la seconde partie une modélisation numérique du navire en conditions quasistatiques est réalisée. La modélisation s'appuie sur la résolution de l'équation du mouvement du navire et par la méthode des écoulements potentiels pour la partie hydrodynamique.L'étude montre qu'un navire de type catamaran de longueur 80 m produit 1 MW électrique dans un vent de travers de 10 m/s. Cela correspond à 2,9 tonnes d'hydrogène par semaine. La puissance nominale (1,73 MW) est atteinte pour une vitesse de vent de 12 m/s. Dans la dernière partie, une optimisation de la forme de coque est réalisée avec un algorithme génétique NSGA II afin d'augmenter la puissance produite. Elle porte sur des carènes de catamarans symétriques ou non (navires de type prao). Cette étude montre que les formes non-symétriques sont plus performantes. Il est obtenu une puissance produite jusqu'à 12\% supérieure à celles obtenues précédemment (soit 3,3 tonnes d'hydrogène par semaine).

The present thesis investigates the innovative energy ship concept for offshore wind energy conversion. In this concept, wind is used to propel a ship. Electricity is generated using water turbines attached underneath the hull. The electricity is converted through electrolysis into hydrogen which is then stored aboard. An energy ship is a complex system composed of many sub-systems. In the first part of the thesis, a system engineering approach is used in order to develop a analysis framework for the comparison of solutions for the subsystems. A case study is conducted for the wind propulsion subsystem of an energy ship. Among the five technologies studied (soft and rigid sails, Flettner rotors, turbo-sails and kite wings), Flettner rotors are selected for an application on the energy ship. In the second part a numerical model of the ship is developed in quasi-static conditions. It is based on the resolution of the equation of motion of the ship and on a potential flow method for the hydrodynamic part of the model. It shows that an energy ship with a catamaran hull of 80 m long is able to produce an electrical power of 1 MW in a 10m/s beam wind. This electrical power is equivalent to a weekly production of 2.9 tons of hydrogen. The nominal power of the ship (1.73 MW) is achieved at a wind speed of 12 m/s. In the last part, hull optimization is performed using a genetic algorithm (NSGA II). The purpose is to maximize the energy production. Both symmetrical and nonsymmetrical catamaran shapes are generated. Results show that nonsymmetrical shapes, similar to "proa" ships, achieve the best efficiency. A gain of 15% of power production is obtained compared to the previous results (equivalent to a weekly production of 3.3 tons of hydrogen).