Optimisation de la Chaîne de Valeur de l’Hydrogène dans les Réseaux Intelligents grâce aux Jumeaux Numériques

Optimisation de la Chaîne de Valeur de l’Hydrogène dans les Réseaux Intelligents grâce aux Jumeaux Numériques : Vers une Énergie Multi-Usage pour l’Industrie, le Transport et le Confort Thermique des Bâtiments

❖ Introduction
L’essor des technologies numériques transforme radicalement la manière dont nous abordons la gestion des systèmes énergétiques et industriels. Parmi ces technologies, les jumeaux numériques émergent comme des outils puissants pour optimiser la production, le stockage et l’utilisation de l’hydrogène, une source d’énergie clé pour un avenir durable. Les jumeaux numériques permettent de créer des représentations virtuelles détaillées des systèmes physiques, offrant une vision en temps réel des opérations et facilitant la simulation de divers scénarios. Cet article explore comment les jumeaux numériques peuvent être appliqués à la chaîne de valeur de l’hydrogène, depuis sa production à partir des énergies renouvelables jusqu’à son stockage et son utilisation dans la production d’énergie (électricité, chaleur, froid), dans les industries (chimiques, de l’acier, alimentaire, électronique et aérospatiale), dans les transports (routiers, aériens et maritimes), ainsi que pour le confort thermique dans les bâtiments. Nous examinerons les points clés de leur application dans chaque domaine, soulignant leur potentiel pour améliorer l’efficacité, réduire les coûts et favoriser l’innovation.

❖ Points Clés sur les Jumeaux Numériques
Les jumeaux numériques (ou digital twins en anglais) sont des répliques virtuelles d’objets physiques, de systèmes, de processus ou même d’entités plus complexes comme des villes ou des infrastructures.
Ils utilisent des technologies numériques avancées pour créer une simulation dynamique et interactive de l’entité réelle qu’ils représentent.
La création d’un jumeau numérique commence par l’installation de capteurs et de dispositifs de mesure sur l’objet ou le système physique. Ces capteurs collectent des données en temps réel sur divers paramètres tels que la température, la pression, la vitesse, et d’autres variables pertinentes.
Les données recueillies par les capteurs sont intégrées dans des logiciels de simulation. Ces outils permettent de créer des modèles virtuels qui reproduisent avec précision le comportement et les caractéristiques de l’entité physique. Ces modèles peuvent inclure des aspects géométriques, mécaniques, thermiques, et autres caractéristiques pertinentes. Les logiciels de simulation utilisent des algorithmes sophistiqués pour modéliser les interactions complexes et les processus dynamiques.
Les jumeaux numériques sont alimentés par des outils d’analyse de données qui traitent les informations collectées et fournissent des insights précieux. Ces outils permettent d’examiner les performances sous différentes conditions et scénarios, d’identifier des tendances, et de réaliser des prévisions basées sur les données en temps réel.
Les simulations et les analyses permettent de tester des solutions et de prévoir les impacts avant leur application dans le monde réel, ce qui réduit les coûts liés aux erreurs et aux ajustements tout en améliorant la prise de décision. De plus, les capacités de prédiction et de détection précoce aident à anticiper les pannes et les problèmes potentiels, réduisant ainsi les temps d’arrêt et les interruptions de service. Les jumeaux numériques offrent également un environnement de test virtuel qui favorise l’innovation et le développement de nouvelles solutions et technologies [1].

❖ Rôle des Jumeaux Numériques dans la Production, le Stockage et l’Utilisation de l’Hydrogène
Les jumeaux numériques permettent de créer des modèles virtuels des installations de production d’hydrogène, telles que les unités de production d’énergie renouvelable (éoliennes, panneaux solaires) et les électrolyseurs. Cette modélisation aide à comprendre le comportement et les interactions des différents composants du système. Ils permettent de simuler différents scénarios de fonctionnement, tels que les variations de la demande, les fluctuations de la production d’énergie renouvelable, et les interruptions de service. Ces simulations aident à évaluer les performances des installations dans diverses conditions et à optimiser leur fonctionnement [2, 3].

Les jumeaux numériques peuvent analyser les données en temps réel des électrolyseurs pour optimiser les conditions de fonctionnement, telles que la température, la pression, et le courant électrique. Ils permettent également de modéliser et d’analyser les scénarios de risque associés au stockage d’hydrogène ou dans les processus de transfert d’énergie, tels que les fuites, les incendies, les pertes de conversion ou d’inefficiences, ou les explosions. Ils peuvent simuler des scénarios d’accidents pour évaluer les impacts potentiels et tester les réponses d’urgence. Cela permet de mettre en place des mesures de sécurité optimales et d’assurer la conformité aux normes réglementaires. En surveillant les performances des équipements en temps réel, les jumeaux numériques détectent les anomalies et les signes précoces de défaillances ou d’usure, avant qu’ils ne deviennent critiques. Cela permet de réaliser des interventions préventives et de réduire les temps d’arrêt, prolongeant ainsi la durée de vie des infrastructures [4].

Les jumeaux numériques permettent d’évaluer l’impact environnemental de la production d’hydrogène en analysant le cycle de vie complet, de la production à la distribution [5]. Cela aide à identifier les opportunités d’amélioration pour réduire les émissions et les déchets.

Les jumeaux numériques facilitent l’intégration des sources d’énergie renouvelable en ajustant la production d’hydrogène en fonction de la disponibilité de l’énergie solaire et éolienne. Ils optimisent la gestion des ressources pour garantir une production continue et efficace. Les jumeaux numériques utilisent également des modèles prédictifs pour estimer la demande future d’hydrogène dans différents secteurs (industrie, transport, production d’électricité, bâtiment). Cette prévision permet d’ajuster la production en conséquence et de planifier les niveaux de stockage en fonction de la demande et de la production, minimisant ainsi les pertes et les coûts associés. Les jumeaux numériques permettent également de simuler différentes stratégies de stockage [6] en fonction des coûts énergétiques et des conditions du marché, aidant à choisir la méthode la plus rentable et efficace pour stocker l’hydrogène.

Les jumeaux numériques permettent de créer des répliques virtuelles des systèmes de production d’électricité, de chaleur, et de froid à partir d’hydrogène. Ces modèles intègrent tous les composants du système, y compris les piles à combustible, les turbines à hydrogène, les systèmes de cogénération, et les dispositifs de réfrigération par absorption. Ils peuvent moduler la production en fonction des fluctuations intra-journalières et saisonnières de la demande ou des tarifs énergétiques. Ils permettent de simuler et d’optimiser les cycles thermiques des systèmes de cogénération et de production de froid. En ajustant les conditions de fonctionnement des turbines, des échangeurs de chaleur, et des réfrigérateurs, il est possible de maximiser l’efficacité énergétique, réduisant ainsi les coûts de production [7].

Pour les industries qui utilisent l’hydrogène comme matière première ou source d’énergie, les jumeaux numériques peuvent modéliser et simuler les processus industriels pour optimiser l’utilisation de l’hydrogène. Ils peuvent optimiser les chaînes d’approvisionnement, réduire les stocks excédentaires et minimiser les pertes de matériaux. Par exemple dans l’industrie chimique, l’hydrogène est essentiel dans la production d’ammoniac (NH3), qui est un précurseur important pour les engrais agricoles [8, 9]. L’hydrogène est utilisé dans la production de méthanol, un composé chimique qui sert de matière première pour de nombreux produits chimiques, plastiques, et carburants. Dans les raffineries, l’hydrogène est utilisé pour le processus d’hydrocraquage, qui transforme les hydrocarbures lourds en produits plus légers, tels que l’essence, le diesel, et d’autres produits pétroliers. L’hydrogène est également de plus en plus envisagé comme une alternative au charbon dans le processus de réduction directe du minerai de fer pour produire de l’acier, réduisant ainsi les émissions de CO2 [10]. Dans l’industrie alimentaire, l’hydrogène est utilisé pour l’hydrogénation des huiles végétales afin de produire des graisses et margarines comestibles. Ce processus modifie la structure chimique des graisses pour les rendre plus solides à température ambiante. Dans l’industrie électronique, l’hydrogène est utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, en particulier dans les processus de gravure et de nettoyage des plaquettes de silicium. Dans l’industrie de l’aérospatiale, l’hydrogène liquide est utilisé comme carburant dans les moteurs de fusée, en raison de sa haute densité énergétique et de sa capacité à produire une poussée élevée lorsque combiné avec l’oxygène liquide.

Les jumeaux numériques permettent de modéliser et de simuler les flux de trafic en temps réel, aidant les autorités à optimiser les feux de signalisation, à gérer les congestions et à réduire les temps de trajet.
Cela conduit à une diminution de la consommation du carburant et des émissions de gaz à effet de serre, contribuant à une mobilité routière plus verte. En modélisant les réseaux de recharge pour les véhicules
électriques (VE), les jumeaux numériques peuvent optimiser la localisation des stations de recharge et gérer la distribution d’électricité, assurant ainsi que les VE soient rechargés de manière efficace et durable, tout en minimisant la charge sur le réseau électrique.

Les jumeaux numériques des aéroports permettent de modéliser et d’optimiser l’utilisation des infrastructures (pistes, terminaux, zones de stationnement des avions) pour minimiser les retards, améliorer l’expérience des passagers, et réduire l’empreinte écologique des opérations aéroportuaires.
Les jumeaux numériques des navires et des routes maritimes permettent de simuler les conditions océaniques (courants, vents, etc.) pour choisir les routes les plus efficaces. Cela permet de réduire la consommation de carburant et les émissions, tout en améliorant la ponctualité des livraisons.

Les jumeaux numériques peuvent surveiller en temps réel les conditions intérieures du bâtiment, comme la température, l’humidité, la qualité de l’air et l’éclairage. En intégrant des préférences individuelles, ils peuvent ajuster automatiquement les systèmes de chauffage, de ventilation, de climatisation (CVC) et d’éclairage pour répondre aux besoins spécifiques des occupants, assurant un confort optimal. Cela inclut l’utilisation de capteurs pour éteindre les systèmes dans les pièces inoccupées ou pour ajuster l’éclairage en fonction de la lumière naturelle disponible. Pour les bâtiments avec plusieurs occupants, les jumeaux numériques peuvent créer des zones de confort personnalisées. Par exemple, ils peuvent ajuster la température dans une zone spécifique pour une personne qui préfère une température plus élevée, tout en maintenant une autre zone plus fraîche pour d’autres occupants.

❖ Conclusion
En conclusion, l’application des jumeaux numériques à la chaîne de valeur de l’hydrogène ouvre la voie à une transformation profonde de la manière dont nous produisons, stockons et utilisons cette source d’énergie cruciale. Nous avons analysé comment ces systèmes permettent non seulement d’optimiser la production d’hydrogène à partir des énergies renouvelables, mais aussi d’améliorer son stockage et son utilisation dans divers contextes—de la production d’électricité, de chaleur et de froid, aux applications industrielles dans des secteurs clés tels que la chimie, l’acier, l’alimentaire, l’électronique et l’aérospatiale, jusqu’aux transports routiers, aériens et maritimes. De plus, les jumeaux numériques jouent un rôle crucial dans le confort thermique des bâtiments, contribuant à une gestion énergétique plus efficace et plus durable.
En facilitant une meilleure compréhension des systèmes complexes, les jumeaux numériques favorisent l’innovation, réduisent les coûts et augmentent l’efficacité.

❖ Références
[1] Jones, D.E., Snider, C., Nassehi, A., Yon, J.M., & Hicks, B.J. (2020). Characterising the Digital Twin:
A Systematic Literature Review. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology.
[2] Lam, W.S., Lam, W.H., & Lee, P.F. (2023). A Bibliometric Analysis of Digital Twin in the Supply Chain. Mathematics.
[3] Bouramdane, A-A. (2023). Crafting an Optimal Portfolio for Sustainable Hydrogen Production Choices in Morocco. Fuel. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130292
[4] Holopainen, M., Saunila, M., Rantala, T., & Ukko, J. (2022). Digital Twins’ Implications for Innovation. Technology Analysis & Strategic Management, 36, 1779 – 1791.
[5] Bouramdane, A-A. (2023), « Hydrogen Production Technologies: Modeling, Pros and Cons, Applications, Suitable Regions, and Unveiling Sustainability and Economics Through LCA and LCC »,Lambert Academic Publishing (LAP), ISBN: 978-620-6-78174-5, https://www.morebooks.shop/shop-ui/shop/product/9786206781745
[6] Bouramdane, A-A. (2021), « Scenarios of Large-Scale Solar Integration with Wind in Morocco:
Impact of Storage, Cost, Spatio-Temporal Complementarity and Climate Change ». Institut Polytechnique de Paris, [PhD Thesis], Physics, Oct 2021, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03518906.
[7] Ersan, M., Irmak, E., & Çolak, A.M. (2024). Applications, Insights and Implications of Digital Twins in Smart City Management. 2024 12th International Conference on Smart Grid (icSmartGrid), 378-383.
[8] Bouramdane, A-A. (2023), « L’Oasis d’Hydrogène Vert Pour Une Agriculture Marocaine Durable », La Jaune et la Rouge N°790, Le Magazine des Alumni de l’École Polytechnique, Dossier : Environnement et Société. URL: https://www.lajauneetlarouge.com/loasis-dhydrogene-vert-pour-une-agriculture-marocaine-durable/
Le numéro 790 est disponible en ligne:
https://www.lajauneetlarouge.com/wp-content/uploads/2023/11/JR_790.pdf
[9] Bouramdane, A-A. (2024). « Chapter 22: Understanding and Optimizing Hydrogen Transport Technologies for 21st Century Smart Cities: Innovation for Morocco’s Green Interconnections in Hydrogen, Ammonia, and Kerosene Production ». In Emerald Publishing, The Emerald Handbook of Smart Cities in the Gulf Region: Innovation, Development, Transformation, and Prosperity for Vision 2040, ISBN: 9781836082934.
https://books.emeraldinsight.com/book/detail/the-emerald-handbook-of-smart-cities-in-the-gulf-region/?k=9781836082934
[10] Bouramdane, A-A. (2024), « L’essor de l’hydrogène vert pour décarboner le secteur industriel dans l’ère de l’Accord de Paris », énergie/mines & carrières, URL : https://energiemines.ma/lessor-de-lhydrogene-vert-pour-decarboner-le-secteur-industriel-dans-lere-de-laccord-de-paris/

Par Ayat-Allah Bouramdane, Enseignante-Chercheure à l’Université Internationale de Rabat (Collège I&A, LERMA Lab).