Optimisation technico-économique multiobjectif de systèmes de conversion d'énergie : cogénération électricité-hydrogène à partir d'un réacteur nucléaire de IVème génération.
Face aux préoccupations environnementales de plus en plus pressantes, telles que la maîtrise des rejets de gaz à effet de serre, et face à l'épuisement annoncé des réserves d'énergies fossiles, l'hydrogène est perçu comme un vecteur énergétique prometteur. Un des principaux enjeux technologiques d'une future économie de l'hydrogène est sa production à grande échelle en se passant d'énergies fossiles émettrices de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le nucléaire est particulièrement intéressant pour produire massivement de l'hydrogène par cycles thermochimiques ou par électrolyse haute température. Un des systèmes nucléaires sélectionnés est le réacteur à très haute température (950°C/1200°C), refroidi à l'hélium, dédié à la production d'hydrogène ou à la cogénération hydrogène/électricité, VHTR (Very High Temperature Reactor). L'objectif principal de ces travaux, dans le cadre d'une collaboration entre le CEA de Cadarache et le LGC consistait à définir une méthodologie d'optimisation technico-économique de tels systèmes de cogénération, pour identifier et proposer des stratégies prometteuses de développement. Parmi les procédés de production massive d'hydrogène à l'étude, le cycle thermochimique Iode-Soufre a été retenu. Compte tenu de la diversité des énergies exploitées (chaleur, électricité) et produites (hydrogène et électricité) du système de cogénération, une approche exergétique à été développée, particulièrement adaptée à la comparaison de différentes formes d'énergie. Dans ce but, le logiciel CYCLOP (CEA) a été utilisé et adapté pour la modélisation thermodynamique de ces systèmes. Le critère économique, calculé à l'aide du logiciel SEMER (CEA), est basé sur la minimisation du coût total du site de production sur sa durée de vie impliquant l'investissement, les coûts d'exploitation et celui du combustible nucléaire. Le calcul d'investissement implique le développement de fonctions de coûts adaptées aux technologies et aux conditions de fonctionnement spécifiques. Les études ont été menées pour maximiser la production d'énergie au niveau global, tout en minimisant les coûts de production. Ce problème bicritère a été résolu grâce au développement d'une bibliothèque modulaire et extensible d'algorithmes génétiques (MULTIGEN), basés sur l'algorithme NSGAII. Plusieurs procédures y sont intégrées pour traiter des problèmes mono et multicritère en variables continues, entières et binaires. Les principales innovations ont porté sur la fiabilisation des algorithmes implantés, le traitement des contraintes et des variables de structure ainsi que l'implantation d'un critère d'arrêt basé sur la stagnation du front de Pareto. Une méthodologie technico-économique multicritère générale a été appliquée à trois systèmes de conversion de chaleur produite par un réacteur VHTR : production d'électricité seule, cogénération électricité-hydrogène et, enfin, seule production d'hydrogène. Parmi les résultats significatifs obtenus, on note que les sites dédiés exclusivement à la production d'hydrogène, ainsi que les sites de cogénération, présentent un coût de production comparable dans la zone de coût de production du réseau électrique français. Les sites de cogénération sont donc particulièrement intéressants du point de vue du coût hydrogène, mais le nombre de sites doit être multiplié, pour espérer un effet de série. Cette méthodologie générique peut également s'appliquer à la production d'hydrogène par électrolyse à haute température, ou bien à d'autres cycles de production d'hydrogène existants, notamment les cycles hybrides. ABSTRACT : With the increase in environmental considerations, such as the control of greenhouse emissions, and with the decrease in the fossil energy resources, hydrogen is currently considered as a promising energy vector. One of the main technological challenges of a future hydrogen economy is its large scale production without fossil fuel emissions. Under this context, nuclear energy is particularly adapted for hydrogen massive production by thermochemical cycles or high temperature electrolysis. One of the selected nuclear systems is the Very High Temperature Reactor (950°C/1200°C), cooled with helium, and dedicated to hydrogen production or to hydrogen electricity cogeneration. The main objective of this investigation, within the framework of a collaboration between CEA, French Atomic Agency (Cadarache) and LGC (Toulouse), consists in defining a technico-economic optimization methodology of electricity-hydrogen cogeneration systems, in order to identify and propose promising development strategies. Among the massive production processes of hydrogen, the thermochemical cycle Iodine-Sulphur has been considered. Taking into account the diversity of the used energies (i.e., heat and electricity) on the one hand and of the produced energies (hydrogen and electricity) on the other hand of the studied cogeneration system, an exergetic approach has been developed due to its ability to consider various energy forms on the same thermodynamical basis. The CYCLOP software tool (CEA) is used for the thermodynamic modelling of these systems. The economic criterion, calculated using the SEMER software tool (CEA), is based on the minimization of the total production site cost over its lifespan i.e., investment, operating costs and nuclear fuel cost. Capital investment involves the development of cost functions adapted to specific technologies and their specific operating conditions. The resulting optimization problems consist in maximizing the energy production, while minimizing the production costs, which constitutes a multicriteria problem, solved by the so-called MULTIGEN, i.e. a library of genetic algorithms designed with modular and extensible properties, based on the well-known NSGA II algorithm. Several procedures have been implemented, adapted to both mono and multicriteria problems case, to their type (structural optimization for example) and to nature of the considered variables (continuous, binary, integer or mixed). The main innovations related to the reliability of the algorithms involve the constraints treatment, the structural variables and the development of a stop criterion, based on the stagnation of the Pareto front. A generic multicriteria technico-economic methodology was applied to three conversion systems by a VHTR reactor: electrical production, electricity/hydrogen cogeneration and, finally, hydrogen production. Among the most significant results, it can be highlighted that exclusively dedicated hydrogen production sites are comparable with cogeneration sites from production costs point of view, within the range of french electrical network production costs. The cogeneration sites exhibit an increased economic interest from hydrogen cost point of view, but the number of sites will have to be multiplied, so that a series effect is observed. This methodology is still valid for the production of hydrogen by high temperature electrolysis, or by other existing production cycles of hydrogen, in particular hybrid cycles
