Les réserves limitées de combustibles fossiles et la pollution entrainée par les gaz produits ouvrent la voie à desressources énergétiques renouvelables (RER) alternatives et prometteuses telles que les ressources solaires (RS)et les ressources éoliennes (RE). Ces ressources sont librement disponibles et respectueuses de l'environnement.Cependant, les RER sont de nature intermittente. Par conséquent, il existe un besoin de lissage des fluctuations depuissance en stockant l'énergie pendant les périodes de surproduction pour la restituer au réseau lorsque lademande énergétique devient importante. Les systèmes de stockage de l'énergie (SSE) peuvent alors être utilisésde manière appropriée à cette fin.L'utilisation de plusieurs sources d'énergie et de stockeurs pour construire des systèmes de puissance hybrides(SPH) exige une stratégie de gestion de l'énergie pour atteindre le minimum de coût des SPH et un équilibre entrela production et la consommation de l'énergie. Cette méthode de gestion de l'énergie est un mécanisme pourobtenir une production d'énergie idéale et pour satisfaire convenablement la demande de charge à rendementrelativement élevé.Dans cette thèse, un SPH intégrant production électrique photovoltaïque, éolienne, une micro-turbine à gaz ainsiqu'un système de stockage de l'électricité par le vecteur hydrogène est considéré. Le but de cette hybridation estde construire un système fiable, qui est en mesure de fournir la charge et qui a la capacité de stocker l'énergieexcédentaire sous forme hydrogène et de la réutiliser plus tard. En outre, le problème d'ombrage partiel dePanneaux Photovoltaïques est étudié de manière approfondie. Une nouvelle solution basée sur des interrupteurssimples et un contrôle par logique floue intégré dans une carte électronique dSPACE a été proposée. Unereconfiguration des panneaux photovoltaïques en temps réel et de déconnexion de ceux ombragés est égalementeffectuée en cherchant à minimiser les pertes de puissance. Le couplage thermique entre ces panneauxphotovoltaïques et un électrolyseur à membrane polymère est également étudié, à l'échelle système. Enrécupérant une partie de l'énergie thermique reçue par les panneaux, une amélioration du rendement du systèmehybride PPVELS MEP est réalisée / The limited reserves of fossil fuel and the pollution gases produced pave the way to promising alternativeRenewable Energy Sources (RESs) such as Solar Energy Sources (SESs) and Wind Energy Sources (WESs).SESs and WESs are freely available and environmentally friendly. However, RESs are intermittent in nature.Therefore, the smoothing of power fluctuations by storing the energy during periods of oversupply and restore it tothe grid when demand becomes necessary. Accordingly, Energy Storage Systems (ESSs) can be appropriatelyused for this purpose.Using several energy sources for constructing HPSs alongside with ESS will require an energy managementstrategy to achieve minimum HPS cost and optimal balance between energy generation and energy consumption.This energy management method is a mechanism to achieve an ideal energy production and to conveniently satisfythe load demand at relatively high efficiency.In this thesis, a Hybrid Power System (HPS) including Renewable Energy Sources (RESs) such as main sourcescombined with Gas Micro-Turbine (GMT) and hydrogen storage system such as Back-up Sources (BKUSs) hasbeen presented. The aim of this hybridization is to build a reliable system, which is able to supply the load andhaving the ability to store the excess energy in hydrogen form and reuse it later when demanded. Consequently, thestored energy at the end of each cycle will be zero and a minimum generated power cost is achieved. In addition,partial shading problem of Photovoltaic (PV) panels is comprehensively studied and a new solution based on simpleswitches and Fuzzy Logic Control (FLC) integrated into dSPACE electronic card is created. Consequently, a realtime PV panels reconfiguration and disconnecting shaded ones is performed and minimum power losses isachieved. Then, the PV panels are connected to a Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEM ELS). Theemitted temperature by the PV panels is transferred to the endothermic element PEM ELS. Consequently, anefficiency enhancement of the hybrid system PVPEM ELS is realized.

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons basse pression (E-PEMs) apparaissent comme une solution efficace et durable pour la production d’hydrogène. Cette technologie pourrait permettre de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (notamment solaire et éolien) en convertissant l’énergie électrique produite en énergie chimique (hydrogène). Durant ces travaux de thèse, trois aspects ont été développés : une approche analytique, une approche numérique, ainsi que approche expérimentale. Ces trois approches ont permis de comprendre l’influence du mélange bi-phasique eau/oxygène à l’anode du système sur les performances électrochimiques des E-PEMS ainsi que déterminer les paramètres opérationnels et intrinsèques qui impactent les performances des E-PEMs. À propos de l'approche expérimentale, des mesures d'impédance électrochimique ainsi que des courbes de polarisation ont été réalisées sur deux différentes cellules d'électrolyseurs de type PEM basse pression (la cellule ITW power de l'Electrochimical innovation Lab (UCL) et la cellule réversible Q-URFC du Laboratoire d'Énergétique, d'Électronique et Procédés (LE2P). À propos de la modélisation numérique, Le modèle expérimentale conjugue une approche multi-échelle macroscopique 2D et mésoscopique 1D. Ce modèle prend en compte le transfert de matière, le transfert de chaleur, les réactions électrochimiques anodique et cathodique et le transfert de charges présents dans le cœur des E-PEMs. D’un point de vue mésoscopique, une attention particulière a été portée sur l’influence des régimes bi-phasiques anodiques (régime de bulles coalescées (BC régime) et régime de bulles non coalescées (NCB régime) sur le transfert de matière à l’anode et sur l’humidification de la membrane. Ces travaux démontrent et confirment l’hypothèse que la transition du NCB régime vers le CB régime augmente le transfert de matière anodique, diminue la résistance ohmique de la membrane et améliore l’efficacité des E-PEMs. À propos de la modèle analytique, l’étude analytique explore une approche adimensionnelle de l'assemblage membrane électrode (AME) en régime stationnaire et isotherme. À l’échelle locale, en 1D, les équations prises en compte sont la conservation du courant dans l’AME, les réactions électrochimiques au sein des couches actives et le transfert de matière à travers la membrane. La résolution a permis d’obtenir des expressions analytiques des surtensions aux électrodes, de la chute ohmique et de la teneur en eau dans la membrane. L’approche adimensionnelle a permis de quantifier analytiquement les sources d’irréversibilités (chute ohmique, surtensions d’activations anodique et cathodique, et de la surtension induite par le bouchonnement des canaux anodiques) respectivement pour les faibles densités de courant, les moyennes densités de courant et les hautes densités de courant. En outre, ce modèle analytique peut être implémenté dans une boucle de contrôle commande. Ces travaux de thèse proposent une contribution à la compréhension du fonctionnement des E-PEMs basse pression en général, et en particulier de l'impact des régimes bi-phasiques sur leurs performances électro-chimiques. / Based on proton conduction of polymeric electrolyte membrane (PEM) technology, the water electrolysis (PEMWE) offers an interesting solution for efficiency hydrogen production. During the electrolysis process of water in PEMWE, the anodic side is the place where the water is splitting into oxygen, protons and electrons. The aim of this study is to recognize the link between two-phase flows (anode side) and cell performance under low pressure conditions. We have developed three approaches: the analytical approach and the numerical approach validated by the experimental data. For the numerical model, we have developed a two-dimensional stationary PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer (bubbly flow), heat transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). In order to take into account the changing electrical behavior, our model combines two scales of descriptions: at microscale within anodic active layer and MEA scale. The water management at both scales is strongly linked to the slug flow regime or the bubbly flow regime. Therefore, water content close to active surface areas depends on two-phase flow regimes. Our simulation results demonstrate that the transition from bubble to slug flow in the channel is associated with improvement in mass transport, a reduction of the ohmic resistance and an enhancement of the PEMWE efficiency. Regarding the analytical model, we have developed a one-dimensional stationary isothermal PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). The analytical approach permit to obtain mathematical solution of the activation overpotential, the ohmic losses and the bubbles overpotential respectively for the low current density, the middle current density and the high current density. This approach quantify the total overpotential of the cell, function of the operational and intrinsic numbers. In terms of perspective, the analytical model could be used for the diagnostic of the electrolyzer PEM.

H2 Green Steel AB was founded in 2020 to build a large-scale green steel factory in Boden, Norrbotten, Sweden. The factory consists of green hydrogen production, iron production and steel production. In 2030, the factory’s annual steel production will be 5 million tonnes annually. The objective of the thesis was to build a concept to improve a recommendation for a Hydrogenproduction site in an early stage of engineering. It included improving the understanding and basis for three criteria. The first criteria consisted of technical and customer requirements, seeing the requirements for the specific application of hydrogen as the critical factor. The second criteria consisted of further investigating how existing interfaces and utilities can be used in hydrogen production and building the basis for qualification. The third criteria consisted of adapting the concept to existing internal design tools by building it forward compatible. The thesis was initiated by bench-marking possible activities related to the recommendation acting as technical support and extensions to existing solutions. The research approach used was Design Research Methodology (DRM), held as the framework for execution. The result from the thesis delivers a database model built upon three linked packages providing a methodology of increased technical information, forward compatibility and a modular approach for design.

Digitally controlled inkjet printing technology has attractive features for the production of catalyst coated membranes (CCM) for application either in electrolysers or in fuel cells. There are a number of unique features: pattern like coating for effective use of expensive materials like platinum or iridium, direct deposition onto membrane material, non-impact printing, easy change of pattern design, and ability to generate catalytic gradients. Employing inkjet printing technology enables the manufacturing of catalytic layers as well as other components. The challenges are to evaluate process-compatible inks as well as processing parameters. / Die digital gesteuerte Inkjetdrucktechnologie hat attraktive Eigenschaften für die Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM), die entweder in Elektrolyseuren oder in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Es gibt eine Reihe einzigartiger Merkmale: mustergenaue Beschichtung für den effektiven Einsatz teurer Materialien wie Platin oder Iridium, direkte Bedruckung des Membranmaterials, berührungsfreies Drucken, einfache Änderung des Druckdesigns und die Fähigkeit, katalytische Gradienten zu erzeugen. Der Einsatz der Inkjetdrucktechnologie ermöglicht die Herstellung von katalytischen Schichten und anderen Komponenten. Die Herausforderungen bestehen darin, prozesskompatible Tinten sowie Verarbeitungsparameter zu evaluieren.

Die elektrokatalytische Wasserspaltung gilt als die nachhaltigste und sauberste Technologie zur Produktion von H2. Leider wird die Effizienz durch die träge Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode stark eingeschränkt. Im Gegensatz zur OER ist die Elektrooxidation organischer Stoffe (EOO) thermodynamisch und kinetisch günstiger. Daher hat sich die Kopplung der EOO mit der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) als Alternative herauskristallisiert, weil dabei die katalytische Effizienz für die H2-Produktion erheblich verbessert werden kann. Gleichzeitig können hochwertige organische Verbindungen an der Anode durch Verbesserung der Elektrooxidation erzeugt werden. In diesem Kurzaufsatz werden die aktuellsten Fortschritte und Meilensteine, die bereits bei der Kopplung der EOO mit der HER erzielt wurden, vorgestellt. Der Fokus liegt auf dem Design des Anodenkatalysators, dem Verständnis des Reaktionsmechanismus und der Konstruktion des Elektrolyseurs. Darüber hinaus werden Herausforderungen und Perspektiven in Bezug auf die künftige Entwicklung dieser innovativen Technologie aufgezeigt.

A l’aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d’énergie d’une application stationnaire isolée à base d’un système PEMFC couplé à l’énergie solaire photovoltaïque comme source principale d’énergie sont développées. Afin d’assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d’énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d’inversion.Le phénomène d’effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d’énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d’ensoleillement d’une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l’état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs. / A stand alone multi-source system based on the coupling of photovoltaic energy and both a PEM electrolyser and a PEMFC for stationary application is studied. The system gathers photovoltaic array as main energy source, ultracapacitors and batteries packs in order to smooth respectively fast and medium dynamic by supplying the load or by absorbing photovoltaic source overproduction. Because of the necessity of fuel availability, especially for islanding application like this one, a PEM electrolyser is integrated to the system for in situ hydrogen production.The main purpose being modeling and management of the power flows in order to meet the energy requirement without power cut, a graphical modeling tool namely Energetic Macroscopic Representation (EMR) is used because of its analysis and control strengths. Thanks to the modular feature of the EMR, the different models of each energetic entity of the system are performed before their assembling.By using scale effect, the energetic system sizing is performed according to a household power profile. Then, by the help of the multi-level representation, the maximal control structure (MCS) is deduced from the system EMR model. The electrical reference values of the MCS are generated by applying the power balancing method involving the own dynamic of each source into the energy management strategy. Different behavior modes are taken into account. By considering an irradiance profile for one day, the system is simulated highlighting its suitable behaviour. Moreover, the relevance of the introduced coupling between fuzzy logic controller and the power balancing method is pointed out.

Hydrogen production via the electrolysis of water has gained a lot of attention in the last couple of years. Research related to electrolysers is mostly aimed towards decreasing the noble–metal catalyst content. In this study the presently used catalyst application techniques were reviewed and critically examined to find commercially applicable and effective methods. Selected methods were then practically applied to determine their feasibility and to gain “know–how” related to the practical application of these techniques. The selected techniques were the hand paint, inkjet print, screen print and spray paint techniques. Meaningful comparisons were made between the methods in terms of parameters such as practicality, waste of catalyst and microstructure. The results point out that the hand paint and spray paint methods are feasible methods although there are improvements to be made. The hand paint method was improved by applying a carbon micro porous layer to the gas diffusion layer before the painting is carried out. The addition of the carbon layer reduced the soaking of the catalyst–containing ink through the gas diffusion layer. A method not initially investigated was identified an evaluated and showed promising results in lowering the mass of catalyst applied. This method comprised of sputtering a layer of catalyst material onto a prepared gas diffusion layer. It also came to light from the results that electrodes, and therefore membrane electrode assemblies, can be produced at a much lower cost than the commercial available membrane electrode assemblies. / Thesis (M.Ing. (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012.

Hydrogen production via the electrolysis of water has gained a lot of attention in the last couple of years. Research related to electrolysers is mostly aimed towards decreasing the noble–metal catalyst content. In this study the presently used catalyst application techniques were reviewed and critically examined to find commercially applicable and effective methods. Selected methods were then practically applied to determine their feasibility and to gain “know–how” related to the practical application of these techniques. The selected techniques were the hand paint, inkjet print, screen print and spray paint techniques. Meaningful comparisons were made between the methods in terms of parameters such as practicality, waste of catalyst and microstructure. The results point out that the hand paint and spray paint methods are feasible methods although there are improvements to be made. The hand paint method was improved by applying a carbon micro porous layer to the gas diffusion layer before the painting is carried out. The addition of the carbon layer reduced the soaking of the catalyst–containing ink through the gas diffusion layer. A method not initially investigated was identified an evaluated and showed promising results in lowering the mass of catalyst applied. This method comprised of sputtering a layer of catalyst material onto a prepared gas diffusion layer. It also came to light from the results that electrodes, and therefore membrane electrode assemblies, can be produced at a much lower cost than the commercial available membrane electrode assemblies. / Thesis (M.Ing. (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012.

This thesis investigates the potential utilisation of Zigrid’s distributed power modules for waste heat utilisation and electricity production within an industrial cluster. The study examines generated waste heat from a hydrogen production plant with a PEM electrolyser and Zigrid’s innovative energy generation capabilities. Furthermore, the study investigates changes in the value chain within the industrial cluster when integrating Zigrid’s power modules as a cooling technique and thereby replacing cooling towers. This integration offers various potential avenues for the excess waste heat, such as electricity production and district heating. An in-depth economic evaluation was performed, weighing the cost-effectiveness of Zigrid's power modules against traditional cooling towers. The economic assessment includes the Levelized Cost of Electricity (LCOE) for locally produced electricity and showcase the potential savings by reducing dependence on the grid. Furthermore, the study also highlights the potential benefits of harnessing Sweden's waste heat, forecasting Zigrid's prospective contribution to local electricity generation and substantial economic efficiencies.  The study's findings underscore the viability of Zigrid's power units in increasing local electricity generation, curbing emissions, enhancing grid stability, and fostering sustainable practices within industrial clusters. / Denna avhandling undersöker potentialen för användning av Zigrids distribuerade kraftmoduler för utnyttjande av spillvärme och elproduktion inom ett industriellt kluster. Studien granskar genererad spillvärme från en väteproduktionsanläggning med en PEMelektrolysör och Zigrids innovativa energiproduktionsförmåga. Vidare undersöker studien förändringar i värdekedjan inom det industriella klustret när Zigrids kraftmoduler integreras som en kylteknik och därmed ersätter kyltorn. Denna integration erbjuder olika potentiella vägar för överskott av spillvärme, såsom elproduktion och fjärrvärme. En djupgående ekonomisk utvärdering genomfördes, där kostnadseffektiviteten hos Zigrids kraftmoduler jämfördes med traditionella kyltorn. Den ekonomiska bedömningen inkluderar den nivåbaserad elkostnaden (LCOE) för lokalt producerad elektricitet och visar de potentiella besparingarna genom att minska beroendet av elnätet. Vidare belyser studien också de potentiella fördelarna med att utnyttja Sveriges spillvärme och förutspår Zigrids framtida bidrag till lokal elproduktion och betydande ekonomisk effektivitet. Studiens resultat understryker Zigrids kraftenheters livskraftighet för att öka lokal elproduktion, minska utsläpp, förbättra nätstabiliteten och främja hållbara metoder inom industrikluster.