Institut de recherche sur l'hydrogène (IRH)
Nos recherches

Voici quelques sujets de recherche :

Énergies renouvelables et gestion de la demande avec stockage d’électricité

Le réseau électrique intelligent est perçu comme une solution intéressante qui permettrait l’intégration des énergies renouvelables au système de distribution, et la gestion optimale de la disparité entre les périodes de pointes de production et de demande d’énergie[i].  Le principal objectif technique de ce projet consiste à démontrer l'utilité de l'intégration du stockage, comprenant les technologies de l'hydrogène, avec l'énergie éolienne pour la gestion et la stabilisation des réseaux électriques faibles ou saturés. Ce projet comporte deux volets :

1er volet : Études sur le terrain (ou à l’aide de banc d’essai) afin de déterminer les profils réels de la consommation et de la production d’énergie selon les différentes conditions climatiques et selon la période de l’année (considérant les saisons). Des bases de données doivent être  créées et alimentées afin de faciliter l’analyse et l’exploitation de l’information aux fins de modélisation et simulation dans différents horizons (horaire, journalier, hebdomadaire, mensuel, saisonnier ou annuel).

2e volet : Développement de systèmes d’électronique de puissance, de gestion et de contrôle visant l’application des technologies de réseaux électriques intelligents dans les systèmes résidentiels avec micro génération, stockage d’énergie et gestion de la demande dans le respect des besoins propres des clients. Les objectifs spécifiques du projet sont :

  1. l’amélioration de l’utilisation du système de distribution et de transport à travers l’intégration de la contribution dynamique du client; la gestion d’énergie et de la demande locale (conciliation production vs consommation),
  2. l’application des technologies des réseaux intelligents à l’intégration des énergies renouvelables, de micro générateurs, de systèmes locaux de stockage, et de véhicules électriques,
  3. le développement de systèmes de mesure et contrôle intelligents (adaptatifs) locaux pour la caractérisation et prévision de la production avec des énergies renouvelables ainsi que la caractérisation et la prévision de la demande,
  4. l’intégration du contrôle des différentes ressources dans un système de gestion localisé et communiquant DMS[ii] et
  5. l’intégration des systèmes de mesure, de contrôle, d’électronique de puissance et de communication proposés dans une « interface intelligente » avec multiples ports permettant de gérer multiples sources incluant énergies renouvelables et microgénératrices et différents systèmes de stockage (batterie, supercondensateur, hydrogène, thermique, etc.).

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[i] McDonald, Jim (2008), “Adaptive intelligent power systems: Active distribution networks” Energy Policy, 36 4346–4351.

[ii] DMS : Demand Management System

La mobilité électrique

Plusieurs milliards de dollars sont investis annuellement dans le monde pour développer de nouveaux matériaux destinés aux batteries utilisés dans les véhicules électriques. Hydro-Québec, notamment, a mis au point de nouvelles générations de batteries au phosphate de fer-lithium et aux nanotitanates. Bien que ces technologies présentent des avancées majeures pour la mobilité électrique, l’ajout d’une pile à combustible permettrait de bénéficier d’une source hybride très performante, de grande autonomie rapidement rechargeable et surtout très peu polluante. En effet, l’hybridation batterie - pile à combustible a été reconnue par la communauté scientifique comme étant une solution prometteuse et viable permettant d’enlever les derniers verrous technologiques limitant l’autonomie des véhicules électriques. Cette synergie entre les batteries et la pile à combustible n’est pas encore bien maîtrisée. La communauté scientifique commence à peine à bien formuler la problématique d’écoulement de puissance entre le train de propulsion, la batterie et la pile. D’ores et déjà, il est reconnu que l’efficacité globale de cette source hybride dépend étroitement de leurs topologies de connexions (topologies série, parallèle ou mixte), de leur mode de fonctionnement, des conditions opératoires et surtout de la manière dont la puissance électrique destinée à la traction est répartie entre la pile et les batteries.

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La vision de l’Institut de recherche sur l’hydrogène repose essentiellement sur l’optimisation de sources hybrides batteries – supercondensateurs - piles à combustible [i] [ii][iii] pour les applications de mobilité électrique, telles que monte-charges, véhicules hybrides, véhicules lourds pour les mines, etc. Les champs de recherche et d’expertise de nos chercheurs couvrent les thématiques suivantes :

  • le dimensionnement de la capacité des batteries et de la puissance de la pile en fonction des profils de charge et des conditions d’opération (température, par exemple);
  • l’étude et la proposition de différentes topologies de connexion en vue de maximiser le rendement global de la source hybride en tenant compte des phénomènes de dégradation et du coût d’opération;
  • le développement d’algorithmes optimaux de partage de puissance en tenant compte de plusieurs critères parmi lesquels figurent les plages de rendement maximal de chaque source, la température ambiante (y compris les températures très froides), les coûts énergétiques de l’hydrogène et de la recharge des batteries et les profils de dégradation (ou d’usure des sources);
  • l’analyse des impacts environnementaux notamment le taux de réduction de gaz à effet de serre;
  • l’étude des aspects sécuritaires de ces systèmes.

[i] Ayad, M.Y., M. Becherif, A. Henni (2011), “Vehicle hybridization with fuel cell, supercapacitors and batteries by sliding mode control”, Renewable Energy, 36  2627-2634.

[ii] Kelouwani S., Henao N., Agbossou K., Dubé Y. and Boulon Loïc, " Two Layer Energy Management Architecture for a Fuel Cell HEV Using Road Trip Information ", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 61(9), pp. 3851-3864,  2012.

[iii] Kelouwani S., Agbossou K., Dubé Y. and Boulon L., " Fuel Cell PHEV Anticipatory and Real-time Blended-Mode Energy Management for Battery Life Preservation ".

Les accumulateurs de chaleur pour augmenter l’efficacité énergétique de bâtiments

Dans le cadre de l’efficacité énergétique, une façon de réduire la demande de pointe est d’utiliser des accumulateurs thermiques. Plusieurs types d’accumulateurs sont possibles, mais la dimension de l’accumulateur est directement proportionnelle à la capacité calorifique du matériau utilisé pour emmagasiner l’énergie. En utilisant des hydrures métalliques, on peut réduire pratiquement d’un facteur dix la masse de matériau nécessaire. L’autre avantage des hydrures métalliques est que l’énergie peut être dégagée en faisant varier la température de quelques degrés seulement. En comparaison, pour dégager la même énergie par une brique, cette dernière doit être chauffée de 100°C. Le même système peut être utilisé pour chauffer durant l’hiver et climatiser durant l’été. Un système à hydrures métalliques peut être adapté à des applications résidentielles, commerciales ou industrielles et sur des plages de températures variables. La recherche que nous proposons porte sur le développement des combinaisons d’hydrures adaptés à des applications ciblées ainsi que sur la conception des réservoirs d’hydrures.

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Les nanostructures de carbone

nanostructure-1L’une des principales activités de recherche de l’Institut de recherche sur l’hydrogène, ces dernières années, a été le développement de matériaux avancés pour le stockage de gaz. L’équipe élargit présentement son expertise en sciences des matériaux vers celui des énergies émergentes, et vise particulièrement le stockage de l’énergie, la purification et l’efficacité énergétique. L’IRH poursuit également ses activités dans l’optimisation de nanostructures en tant que support catalytique. On souhaite  utiliser les nanotechnologies pour continuer à développer des détecteurs d’hydrogène et des senseurs embarqués. Du point de vue de l’efficacité énergétique, l’IRH s’intéresse au développement de matériaux pour le stockage thermique solaire. Ses chercheurs détiennent un savoir-faire de pointe en matière de caractérisation de matériaux comme support à l’industrie.

L’IRH possède déjà une grande expertise sur les charbons activés. Ces matériaux graphitiques de grande surface spécifique ont été étudiés en matière de stockage du gaz naturel et de l’hydrogène par adsorption. Ces dernières années, de nouveaux matériaux adsorbants aux propriétés étonnantes ont vu le jour. Les « metal organic frameworks », ou MOFs, sont des composés chimiques consistant en des ions métalliques reliés à des molécules organiques qui forment des structures uni, bi ou tridimensionnelles ayant une très grande porosité[i]. S’il est déjà acquis que ces matériaux offrent beaucoup de potentiel pour le stockage de l’hydrogène, il faut déterminer, parmi la multitude de MOFs possibles, quels sont les matériaux les mieux adaptés aux applications; pour ce faire, l’IRH détient l’expertise nécessaire pour mesurer certaines de leurs propriétés physiques. L’équipement permet de mesurer la capacité de stockage d’hydrogène en fonction de la température et de la pression des MOFs; il est aussi possible de mesurer la surface spécifique, la chaleur spécifique et la conductivité thermique de ces MOFs. Dans la même veine, les « covalent organic frameworks », ou COFs, sont aussi de nouveaux matériaux auxquels nous commençons à nous intéresser[ii]. Formés à partir de liens covalents forts et composés exclusivement d’éléments légers (H, B. C, N et O), ces matériaux très poreux pourraient servir au stockage de l’hydrogène ou du gaz naturel.

En raison de sa très grande surface spécifique, de sa grande stabilité chimique et de ses excellentes propriétés électriques, le graphène, un matériau bidimensionnel allotropique formé de carbone, représente un candidat des plus prometteurs pour les prochaines générations de systèmes de conversion et de stockage de l’énergie[iii]. Monocouche plane d’atomes de carbone liés entre eux par des liens sp2 pour former une structure en nid d’abeilles, le graphène est l’élément de base de toutes les structures graphitiques telles que les fullerènes, les nanotubes de carbone ou le graphite. L’une des applications qui intéresse beaucoup l’équipe de l’IRH est l’utilisation du graphène pour soutenir les catalyseurs dans les électrodes de piles à combustible. Les propriétés électriques du graphène en font aussi un bon candidat pour la conception de supercondensateurs qui pourraient être utilisés pour le stockage de l’énergie électrique.

Devant cette multitude de nouvelles structures aux propriétés intéressantes, l’IRH recourt aux outils dérivés de la physique statistique quantique tels que la DFT (density functional theory) et aux méthodes Monte-Carlo afin de déterminer les nanostructures et les structures bidimensionnelles les plus prometteuses en termes d’applications possibles afin de les étudier en priorité. Ces recherches théoriques peuvent également aider à trouver de nouvelles voies de synthèse efficaces pour les matériaux choisis.


[i] Hirscher, M., B. Panella, B. Schmitz , (2010) “Metal-organic frameworks for hydrogen storage”, Microporous and Mesoporous Materials”, 129,335–339.

[ii] Assfour, B., G. Seifert, (2010), “Hydrogen adsorption sites and energies in 2D and 3D covalent organic frameworks”, Chemical Physics Letters 489, 86–91.

[iii] Choi, Y. J. et al. (2012), “Graphene for energy conversion and storage in fuel cells and supercapacitors”, Nano Energy, 1, 534–551.

Valorisation de la biomasse

Les forêts québécoises génèrent environ 6 448 000 tonnes de biomasse forestière par année[i].  La conversion de la biomasse pour produire de l’hydrogène représente un développement durable de l’utilisation des ressources régionales[ii]. Cet hydrogène peut ensuite servir de combustible pour le chauffage, la production d’électricité (via une génératrice ou une pile à combustible) pour les applications stationnaires ou pour le transport, ou comme additif pour augmenter l’efficacité énergétique des machineries. Le programme de recherche et développement de l’Institut de recherche sur l’hydrogène consiste à concevoir un système de production d’hydrogène de grade commercial (99.5 % pur) d’une capacité de 10 kg/jour. Le réacteur sera alimenté en biomasse lignocellulosique (copeaux de bois) et en hydroxyde de sodium (NaOH). La technologie utilisée pour la gazéification de la biomasse ne produit aucun gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2). Le carbone de la biomasse se retrouve dans le sous-produit de carbonate de sodium (Na2CO2) utilisé par d’autres industries. Le marché visé initialement est celui des industries québécoises utilisant de l’hydrogène commercial produit à partir du gaz naturel. L’industrie du biodiesel est en pleine expansion depuis l’annonce par le gouvernement canadien en 2009 d’augmenter la production du biodiesel de 130 millions de litres à 500-600 millions de litres. L’hydrogène est requis pour le rehaussement du biodiesel afin de respecter les normes de qualité. Pour ce type d’application, une production décentralisée d’une capacité de 100 kg par jour est réaliste.


[i] Fédération québécoise des coopératives forestières

[ii] Jean Hamelin, “Feasibility Study of Using Biomass Byproducts from Canadian Industries to Produce Hydrogen”. Rapport final présenté à Ressources naturelles Canada, 87 pages, mars 2007.

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L'IRH est membre corporatif de l'Association canadienne de l'hydrogene, du National Hydrogen Association et est étroitement lié à International Standard Organization -ISO/TC 197 pour les technologies l'hydrogène.

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