Doctorant en génie électrique ou physique appliquée F/H

SUJET DE THESE : Étude du système énergétique hybride de véhicules sous-marins autonomes (AUV) alimentés à partir du vecteur hydrogène.

Laboratoires : Institut de Recherche et d’Etudes Navales IRENav (École Navale, Brest) et Groupe de Recherche en Électrotechnique et Automatique du Havre, GREAH (Université Le Havre Normandie)

Encadrement :Pr Damien Guilbert, Dr F. Becker, Pr J-F Charpentier.

1) Contexte du travail de thèse

La surveillance et l’exploration des espaces maritimes dans leurs dimensions sous-marine est un enjeu majeur pour les pays comme la France possédant de très grandes zones maritimes sous leur juridiction. Ces activités dans les fonds sous-marins couvrent les volets de l’exploration scientifique, de l’inspection et la surveillance d’infrastructures sous-marines et sensibles ainsi que de l’action militaire. Une solution technique pour exercer ce type d’actions sur des territoires souvent distants des ports et des infrastructures côtières est de disposer de systèmes de sous-marins autonomes (AUVs) résidents sur la zone. Un des enjeux pour ces AUVs est d’assurer leur autonomie décisionnelle mais également leur autonomie énergétique sur site.  La thèse fait partie d’un projet global nommé AUV-EH2 lauréat de l’appel à projet « ANR-ASTRID » 2024 qui propose d’étudier la possibilité d’utiliser des AUVs résidents propulsés par des systèmes d’énergie hybride dont le carburant initial est l’hydrogène transformé en électricité à partir de piles à combustibles hydrogène/oxygène. Cette solution est particulièrement avantageuse en termes d’autonomie, d’impacts et de discrétion.  Afin de mettre en place une solution autonome en terme énergétique, le projet AUV-EH2 considérera dans une autre partie du projet également l’association de ces AUVs à une station de rechargement et de connexion (docking). Cette station permettra de gérer la production d'hydrogène à partir de ressources renouvelables intermittentes locales ainsi que le stockage et le chargement en hydrogène des AUVs.

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2) Description de la thèse

Le travail de thèse vise à établir des modèles de fonctionnement des systèmes énergétiques des AUVs ainsi que des stratégies de gestion d’énergie et de dimensionnement de leurs systèmes d’énergie/propulsion. Ces méthodes seront adaptées aux contextes et aux cas d’usages particuliers considérés.

Une première partie du travail sera dédiée à la détermination de plusieurs cas typiques d’usage. Ces cas d’usage correspondront à plusieurs contextes applicatifs potentiels (exploration scientifique, inspection des installations sous-marines, surveillance de lieux ou d’installations sensibles). Ce travail pourra s’appuyer sur les relations qu’ont les laboratoires avec des partenaires comme l’IFREMER ou la Marine Nationale. Ces cas d’usage comprendront une caractérisation des cahiers des charges de mission et une détermination au 1er ordre des caractéristiques des besoins énergétiques de l’AUV.

Une deuxième partie du travail de thèse sera consacrée à la modélisation énergétique de l’AUV et aux stratégies de commande.  Il s’agira tout d’abord de développer des modèles des différents éléments du système de la source d’énergie (ici l’hydrogène) à la dynamique de l’AUV (vitesse, trajectoire) avec différentes échelles de précisions et de temps.  L’association de ces modèles permettra d’obtenir des modèles comportementaux dynamique du système complet sur une mission. Ces modèles permettront d’évaluer par exemple les performances dynamiques de l'AUV, la consommation du système, les vieillissements des composants. Ceci reposera sur la mise en œuvre, dans une approche système, de modèles simplifiés issus de l’analyse physique des composants (pile à combustible, convertisseurs, éléments de stockage d’énergie, machine de propulsion, propulseurs, carène) afin de construire une modélisation dynamique causale du système. La construction de ces modèles permet de définir dans un second temps des stratégies de commande des systèmes, de les tester et de les optimiser. 

Une troisième partie du travail de thèse est de proposer des méthodologies de conception globale incluant le dimensionnement des composants et la détermination des stratégies de gestion d’énergie associé aux systèmes.  Classiquement on va avoir deux approches pour répondre à un cahier des charges (profil de mission issu d’un des cas d’usage défini lors de la première partie du travail de thèse) :  La première est de chercher une configuration optimale (dimensions des composants) pour une stratégie de gestion fixée. La seconde est de chercher à déterminer une stratégie de gestion optimale pour une configuration donnée du système. La détermination de l’ensemble pouvant se faire de manière séquentielle. Cette approche séquentielle est naturellement non optimale. 

C’est pourquoi le travail de doctorat s’attachera à mettre en œuvre des méthodes de dimensionnement global (co-design) où les stratégies de gestion et le dimensionnement du système sont établies conjointement. Ceci repose sur une simplification des modèles par exemple en établissant des modèles à causalité inversé (ou backward) qui permettent de remonter directement et rapidement aux consommations et états du système pour un profil de mission, une configuration et une stratégie de gestion donnée et l’usage de méthodes rapides de détermination ”de stratégies “optimales” de gestion pour un dimensionnement donné. 

Une dernière partie du travail de thèse est de mettre en œuvre une validation expérimentale en utilisant des technologies de type Power Hardware in the loop (PHIL). Les architectures et stratégies identifiées seront implantées sur la plateforme PHIL modulaire de l’IRENAV (qui est déjà opérationnelle et a permis de mettre en œuvre des solutions proches de celles étudiées). Ceci permettra l’émulation en temps réel des éléments en interaction des systèmes hybrides d’énergie/propulsion des AUVs à une échelle unitaire et sur un profil de mission réaliste. Cette implantation permettra la validation des solutions et des méthodologies dans des conditions très proches du réel.

Références

Equipe d’encadrement :

[Ameri2021]  A. Al Ameri , I. Oukkacha , M. Baïlo Camara, B. Dakyo, “Real-Time Control Strategy of Fuel Cell and Battery System for Electric Hybrid Boat Application”, Sustainability, vol. 13, no. 16, 2021, 8693.

[Amoros2024] F. Amoros :« Optimisation multicritère couplée de stratégies de commande et du dimensionnement des composants d’une chaîne propulsive hybride série pour bateaux à cycle de puissance hautement variable », Thèse de doctorat en cours, ENSAM, IRENAV soutenue en décembre 2024

[Belckhier2024] Y. Belkhier, F. Becker, JF Charpentier “Smart energy management using fuzzy logic rule-based algorithm for hybrid fuel cell/battery/supercapacitor powered naval underwater vehicles, Electrimacs 2024, 6pp

[Bennabi2021] Bennabi, N.; Menana, H.; Charpentier, J.-F.; Billard, J.-Y.; Nottelet, B. Design and Comparative Study of Hybrid Propulsions for a River Ferry Operating on Short Cycles with High Power Demands. J. Mar. Sci. Eng. 2021, 9, 631. https://doi.org/10.3390/jmse9060631

[Benyahia2022] Benyahia, N., Charpentier, JF., Scuiller, F., Becker, F. (2023). Performance Analysis of a Hardware in the Loop Based Emulation of a Naval Propulsion System Associated with Supercapacitor Energy Storage. In: Pierfederici, S., Martin, JP. (eds) -. Lecture Notes in Electrical Engineering, vol 993. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-24837-5_1

[Guilbert2021] D. Guilbert, G. Vitale, “Hydrogen as a Clean and Sustainable Energy Vector for Global Transition from Fossil-Based to Zero-Carbon”, Clean Technologies, vol. 3, no. 4, 2021, pp. 881–909.

Externes :

[Deutsch2022] C. Deutsch, A. Chiche, S. Bhat, C. Lagergren, G. Lindbergh, J. Kuttenkeuler, “Evaluation of energy management strategies for fuel cell/battery-powered underwater vehicles against field trial data”, Energy Conversion and Management: X, Vol. 14, pp. 100193, 2022

[Han2016] I-S. Han, B-K. Kho, S. Cho, “Development of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack for an underwater vehicle”, Journal of Power Sources, vol. 304, 2016, pp. 244-254.

[Hollinger2022] Hollinger, Geoffrey, Vivekanandan, Rakesh, Rusch, Curtis, Robertson, Bryson, Hollinger, Geoffrey, Chen, Ming, Chang, Dongsik, & Okushemiya, David, « Co-Design of Marine Energy Converters for Autonomous Underwater Vehicle Docking and Recharging - Software and Data », United States, 2022. https://doi.org/10.15473/2217550

[Kwon2023] L. Kwon et al., "Design and Implementation of Pure H2/O2 Fuel Cell–Battery Hybrid Systems for Long-Range AUVs," 2023 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Milan, Italy, 2023, pp. 1-4, doi: 10.1109/VPPC60535.2023.10403296

[Sezgin2022] Berna Sezgin, Yilser Devrim, Tayfur Ozturk, Inci Eroglu, « Hydrogen energy systems for underwater applications », International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 45, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.192

[Silvas2016] E. Silvas, T. Hofman, N. Murgovski, P. Etman, et M. Steinbuch, « Review of Optimization Strategies for System-Level Design in Hybrid Electric Vehicles », IEEE Trans. Veh. Technol., p. 1‑1, 2016, doi: 10.1109/TVT.2016.2547897.

[Weydahl2020] H. Weydahl, M. Gilljam, T. Lian, T.C. Johannessen, S.I. Holm, J. Ø. Hasvold, “Fuel cell systems for long-endurance autonomous underwater vehicles – challenges and benefits”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 8, 2020, pp. 5543-5553.