« Responsable » : Bruno Sareni
Le groupe GENESYS s’intéresse à la conception des systèmes d’énergie du futur centrés sur le vecteur électricité en s’appuyant notamment sur la maîtrise des technologies « hydrogène » et sur des approches méthodologiques orientées « système ».
L’équipe de permanents est constituée de deux chercheurs CNRS, neuf enseignants-chercheurs (incluant un professeur émérite et une chaire de professeur junior), un ingénieur de recherche et un ingénieur d’études. Elle est complétée en moyenne par une quinzaine de doctorants et quelques ingénieurs contractuels, stagiaires de Master ou élèves ingénieurs en stage de fin d’études
Le groupe GENESYS est organisé autour de 3 thématiques de recherche. Les deux premières thématiques méthodologiques et technologiques viennent supporter la troisième tournée vers des applications au cœur de la transition énergétique.
Personnes impliquées : Bruno Sareni, Xavier Roboam, Santiago Suarez
Cette thématique de l’équipe vise à développer des approches de conception qui intègrent de façon structurée (séquentielle ou simultanée) les aspects fondamentaux au niveau systémique que constituent :
L’architecture : la topologie du système et de ses sous-systèmes, la nature des composants (type d’éléments de stockage par exemple) ainsi que le type de technologie associée à un composant.
Le dimensionnement : les effets d’échelle tant sur le plan géométrique que sur le plan énergétique
La gestion d’énergie : les stratégies de planification des consignes relatives aux flux d’énergie à contrôler dans le système
L’environnement : les grandeurs externes influençant le comportement du système (la température, les gisements éoliens ou solaires par exemple) dont les caractéristiques sont par nature stochastiques et intermittentes, mais aussi la mission à remplir par le système (typiquement le profil de charge à satisfaire)
Une conception globale et intégrée permettant de prendre en compte l’ensemble des couplages liés à ces différents aspects se heurte inévitablement à un niveau de complexité élevé justifiant le développement d’approches « systémiques ». Cette complexité peut se traduire selon trois dimensions :
La complexité « statique », liée à la taille des systèmes multisources, multicharges, à l’hétérogénéité des éléments à associer et des domaines disciplinaires couplés. Ce niveau de complexité inclue aussi les multiples contraintes et critères que l’on souhaite aujourd’hui prendre en compte lors de la conception des systèmes : efficacité énergétique, intégration (masse et/ou volume), fiabilité et sûreté de fonctionnement, durée de vie, impact sur l’environnement, coût économique…
La complexité « dynamique », relative à la dispersion des modes dans les systèmes depuis :
– les modes électriques rapides (inférieurs à la seconde à plusieurs minutes) sensibilisant la commande et la gestion des stockages dynamiques de type électrochimiques (batterie, supercondensateurs) ou volant d’inertie.
– les modes « électro-matières » (de quelques heures à plusieurs jours) sensibilisant les transferts de matière (eau ou hydrogène) dans des dispositifs de stockage massif (STEP, Redox Flow).
– les modes « d’évolution de l’environnement » lents (de quelques jours à plusieurs mois) liés aux cycles environnementaux auxquels le système est confronté (cycle diurnes et alternance saisonnière pour l’irradiation solaire par exemple). Ces modes sont aussi caractéristiques des processus de vieillissement des composants dans les systèmes.
La complexité « de résolution », liée notamment à l’augmentation des temps de calcul des modèles de simulation, d’autant plus critique dans un contexte d’optimisation nécessitant un nombre important d’évaluations du système dans son environnement et dans le cadre de sa mission. Cette complexité de résolution est directement liée à la complexité des modèles dont la granularité est généralement variable, déterminant le compromis précision/coût de calcul du processus de conception.
Les méthodologies étudiées ont pour objectif de faire face à l’accroissement de ces niveaux de complexité dans les systèmes du génie électrique. Elles s’articulent notamment autour :
– des approches d’optimisation multidisciplinaires et multiniveaux (« Multidisciplinary Design Optimization ») : ces dernières visent à structurer les étapes de la conception en plusieurs niveaux hiérarchiques garantissant l’intégration des couplages entre composants et disciplines dans les systèmes complexes. Les travaux actuels sur cette thématique, appliqués aux aéronefs « plus électriques », en lien avec l’ONERA et l’IRT Saint-Exupéry, conduisent à des niveaux de complexité plus élevés de par le nombre de disciplines adressées (aérodynamique, structure avion, propulsion électrique et thermique, systèmes de refroidissement, compatibilité électromagnétique…) et de paramètres mis en jeu (jusqu’à une centaine de variables de décision et des milliers de contraintes).
– des méthodes de conception robuste (« robust design ») pour garantir la robustesse des systèmes au regard des incertitudes : incertitudes liées aux variables probabilistes et/ou à la précision des modèles
– des méthodes d’analyse et de traitement des variables d’environnement pour leur intégration au sein des systèmes
– des techniques d’identification paramétrique pour la construction et l’analyse de modèles physiques complexes de composants (piles à combustible/électrolyseurs ou procédés de décharge).
Les recherches de l’équipe s’appuient sur l’environnement de simulation GENESYS développé sous Julia et sur les outils de MDO des partenaires du LAPLACE : FAST-OAD (ONERA) et GEMSEO (IRT Saint-Exupéry).
Personnes impliquées : Christophe Turpin, Amine Jaafar, Henri Schneider, Santiago Suarez, Antony Plait
Depuis plus de vingt ans, l’équipe GENESYS développe une expertise reconnue dans l’étude des systèmes énergétiques à base d’hydrogène. Le groupe s’attache à caractériser le comportement des technologies de production, de stockage et de conversion de l’hydrogène afin de mieux comprendre leur rôle au sein des systèmes électriques de demain. Cette démarche associe modélisation avancée, expérimentations et analyses multi-échelles pour intégrer ces solutions de manière sûre et durable. Les travaux menés par l’équipe GENESYS contribuent ainsi à accélérer la transition vers des systèmes énergétiques plus flexibles, faiblement carbonés et capables d’accompagner le développement massif des énergies renouvelables basé sur l’hydrogène.
La caractérisation des performances des piles à combustible et des électrolyseurs s’appuie sur des approches expérimentales intégrant des plans d’essais adaptés aux conditions de fonctionnement (température, pression, humidité relative, débit), ainsi que sur des techniques d’analyse telles que la spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) et la voltamétrie cyclique. Ces méthodes permettent d’évaluer leur comportement en régime statique et dynamique selon les contraintes d’utilisation, tout en suivant l’évolution de leur état de santé. Elles visent notamment à quantifier les pertes réversibles et irréversibles qui apparaissent avec le vieillissement et entraînent progressivement la dégradation des dispositifs.
Les approches de modélisation développées pour les piles à combustible et les électrolyseurs reposent sur deux classes de méthodes complémentaires : les méthodes basées sur des modèles de connaissance et celles fondées sur l’analyse des signaux. Les modèles de connaissance s’appuient sur une représentation physique ou phénoménologique des composants permettant d’identifier les paramètres clés liés au vieillissement. L’analyse des données, quant à elle, exploite directement les grandeurs mesurées afin de détecter des dérives de comportement et d’en extraire des indicateurs d’état de santé. Pour cette seconde classe de méthode, les modèles utilisés sont cette fois-ci empiriques ou issus de techniques d’apprentissage par Intelligence Artificielle (IA). Enfin, une dernière catégorie d’approches de modélisation hybride consiste à coupler les deux types de méthodes évoquées précédemment en utilisant par exemple de l’apprentissage basé données, informé par des modèles physiques.
Le pronostic s’appuie notamment sur le principe de superposition, en considérant que les mécanismes de dégradation peuvent être décomposés et analysés individuellement avant d’être recombinés pour prédire l’évolution globale des performances. Cette démarche favorise une anticipation plus robuste des pertes réversibles et irréversibles au cours du temps.
Par ailleurs, l’enrichissement du diagnostic constitue un axe majeur d’amélioration. Il passe par l’intégration de nouveaux capteurs dédiés à la détection de composés révélateurs du vieillissement et par des analyses post-mortem permettant d’identifier précisément les mécanismes de dégradation internes. La combinaison de ces informations contribue à affiner les modèles, à renforcer la fiabilité du suivi de l’état de santé et à optimiser la durée de vie des systèmes hydrogène.
L’ensemble de ces travaux alimente des réflexions au niveau « système » en s’appuyant sur les briques H2 : hybridation directe pile/batterie/super condensateur, maîtrise des couplages électrolyseur/stockage H2/pile à combustible et liquéfacteur d’hydrogène/pile à combustible, utilisation de la combustion de l’H2 pour produire de la chaleur.
Ces recherches doivent contribuer à l’émergence des systèmes hydrogène multifonctionnels. Dans cette optique, la finalisation du Technocampus Hydrogène Occitanie est prévue. Ce centre aura pour mission principale de promouvoir la mobilité verte, notamment à travers la conception de moteurs à hydrogène innovants destinés aux avions du futur, mais également aux trains et aux autocars. S’étendant sur 9 000 m², ce centre de recherche, d’essais, d’innovation technologique et de formation sera le plus vaste de France. Il rassemblera industriels et chercheurs dans une collaboration inédite. Le campus jouera un rôle essentiel dans la compréhension et la maîtrise des technologies liées à l’hydrogène, tant à l’échelle des composants que celles des systèmes.
Personnes impliquées : Hubert Piquet, Nicolas Roux, Xavier Roboam, Fabien Lacressonnière, Bruno Sareni, Santiago Suarez
Ce thème s’appuie sur les deux précédents et recouvre les applications typiques auxquelles s’intéresse le groupe GENESYS.
Réseaux embarqués (avion plus électrique, ferroviaire…)
Au cours de ces 20 dernières années, l’équipe GENESYS a mené de nombreux travaux sur la conception des réseaux électriques dans le contexte de l’avion plus électrique en s’appuyant notamment sur des approches de type MDO évoquées dans l’axe 1. Les recherches s’orientent aujourd’hui plus vers la propulsion hybride notamment avec le projet européen HASTECS. Des concepts originaux pour la propulsion électrique sont menées plus récemment avec Safran Tech avec les travaux d’A. Richard (2019-2022) ayant donné lieu à un dépôt du brevet. Ces travaux se poursuivent avec la thèse d’U. Ginestet (2022-2025).
D’autres études concernent aussi le domaine ferroviaire et en particulier la stabilité des réseaux d’alimentation. Il s’agit ici de mettre en évidence les éléments du réseau susceptibles d’occasionner des perturbations ou instabilités et de proposer des solutions palliatives en termes de dimensionnement ou de gestion d’énergie pour y remédier.
Microréseaux ilotés ou ilotables à énergies renouvelables
L’équipe s’intéresse aussi à la conception de microréseaux ilotés ou ilotables, avec des recherches orientées vers le codesign (dimensionnement à gestion intégrée) et l’optimisation ‘’Tech Eco2 (Technico-Économique et Environnementale).
Nos recherches évoluent vers la conception de microéseaux multi-énergies, exploitant chaleur/froid et vecteur hydrogène pour la production ou le stockage de l’électricité afin de palier l’intermittence des énergies renouvelables à fort degré d’intégration. Sur le plan méthodologique, en lien avec le thème 1, nos études concernent l’intégration robuste d’incertitudes d’environnement (productible, consommation, politiques tarifaires, facteurs d’émission…) et de modèles (niveau de précision, paramétrage,…). La conception systémique est menée sur cycle de vie en intégrant le vieillissement des composants.
Caractérisation et intégration des composants batteries
Pour répondre au besoin l’intégration du stockage batterie dans les systèmes, nos travaux portent sur la modélisation des batteries avec l’estimation de leur état de santé. La mise en œuvre de ces modèles batteries s’appuie sur des campagnes de caractérisation et de vieillissement réalisées sur le banc batteries. Des travaux récents (thèse de Lucas ALBUQUERQUE – projet B2LIVE https://ut3-toulouseinp.hal.science/hal-04505925v1), ont permis de développer un modèle de packs batteries de seconde vie pour le codesign d’un microréseau. Dans le domaine de l’embarqué, l’impact du couplage direct pile à combustible/batterie sur le dimensionnement optimal du système a été étudié (Thèse Thomas JARRY – projet PIPAA).
Alimentations de puissance pour procédés plasma
Originellement axée sur la conception de convertisseurs statiques spécifiques, notre approche est aujourd’hui marquée par une évolution vers une dimension systémique : il s’agit de comprendre et d’utiliser les interactions entre le circuit de puissance et le plasma pour intégrer l’impact des caractéristiques (amplitude, fréquence, durée des impulsions, modulation) de l’injection d’énergie dans le plasma vis-à-vis du procédé : génération d’UV, production d’espèces réactives, destruction de polluants, purification … Dans une démarche de conception « holistique », nous incorporons dans la démarche de conception les caractéristiques du réacteur (structures DBD) et l’ensemble des phénomènes qui contribuent aux performances système : thermique, écoulement des gaz, cinétique chimique …
Le groupe GENESYS est fort de nombreux partenaires institutionnels et industriels :
Equipes : CODIASE, CS, PRHE, GREM3, MDCE, GREPHE
Pour mener à bien ses recherches le groupe GENESYS dispose de plusieurs plateformes et moyens d’essais.
Cette plateforme permet la simulation PHIL (Power Hardware In the Loop) de microréseaux AC/DC embarqués ou stationnaires incluant de multiples sources d’énergies (PV, éolien, groupe thermique), stockeurs (batterie, association Pile à combustible/Electrolyseur) et charges émulées.
Deux types d’émulateurs sont utilisés :
– des émulateurs « basés-modèles » reproduisant un modèle mathématique/physique des composants
– des émulateurs « copie-image » reproduisant avec une mise à l’échelle éventuelle le comportement d’un composant « réel » testé sous conditions d’environnement maitrisées.
La plateforme microréseaux offre la possibilité de simuler des architectures de réseaux AC/DC à échelle réduite jusqu’à 50 kW avec une mise à l’échelle en puissance, énergie ou temps accéléré. Elle permet de comparer des stratégies de gestion d’énergie pour des conditions d’environnement identiques et de tester des composants réels compatibles avec le niveau de puissance admissible.
Cette plateforme permet de tester des piles à combustible (PEM HT/BT, SOFC) et électrolyseurs (AWE, PEMWE, AEMWE, SOWE) jusqu’à des puissance de 240 kW en vue d’une caractérisation du comportement physique ou du vieillissement et de l’intégration au sein des systèmes électriques.
Le groupe GENESYS dispose d’une plateforme de test pour batteries pour des essais de vieillissement. Celle-ci dispose d’une enceinte climatique et d’une étuve, permettant de caractériser, pour différents niveaux de température, les performances des cellules au sein d’un pack et les stratégies d’équilibrage du BMS.
Le groupe GENESYS a aussi une forte expertise dans le développement de bancs de test d’alimentation pour différents procédés plasmas (traitement de surface, dépollution, lampe à UV, jets plasma pour la désinfection de blessures)
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