Optimisation technico-économique multiobjectif de systèmes de conversion d'énergie : cogénération électricité-hydrogène à partir d'un réacteur nucléaire de IVème génération.

Abstract

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.