Conception d'un réseau LVDC à base de sources d'énergie durable et de plusieurs types d'éléments de stockage électrochimiques

Design of an LVDC grid based on renewable energy sources and multiple types of electrochemical storage elements

• Auteur / Autrice : Kolja Neuhaus
• Direction : Corinne Alonso, Pierre-Louis Taberna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage

Énergies renouvelables

Basse tension -- Appareils et matériel

Circuits électriques -- Courant continu

Mots clés libres

LVDC

Electrolyse

CPV

Architecture distribuée

LiC

Modélisation

LVDC

Electrolysis

CPV

Distributed architecture

LiC

Modeling

Résumé

Dans le contexte d'une crise énergétique, écologique et climatique, l'intégration de sources d'énergie renouvelables dans les réseaux électriques apparait comme une nécessité absolue. Cette thèse propose dans un premier temps une étude bibliographique des technologies de production d'énergie renouvelable, des éléments de stockage d'énergie et des réseaux électriques avec un focus sur les micro-réseaux LVDC. Des méthodologies sont mises en place pour la modélisation de la production photovoltaïque de la plateforme BIPV ADREAM du LAAS-CNRS en se basant sur la base de données intégrée au bâtiment ainsi que pour la modélisation de différentes technologies de stockage électrochimique telles que les batteries au plomb, lithium, polymère ou encore hybrides Carbone. L'hydrogène est étudié comme un possible vecteur d'énergie de demain. Une synthèse est donnée sur ses applications industrielles et comme moyen de stockage d'énergie ainsi que sa production par électrolyse de l'eau en utilisant des sources photovoltaïque, concept nommé " Solar fuels ". Un prototype de chaîne de conversion d'énergie solaire en hydrogène a été conçu en collaboration avec le laboratoire RCAST de Tokyo, et comprenant panneaux photovoltaïques haut rendement à triple jonction, électrolyseurs à taille réduite, architectures de micro-convertisseurs Buck et Boost distribués et éléments de stockage lithium, et est proposé pour la partie expérimentale de cette thèse avec le but d'obtenir un haut rendement tout en permettant un contrôle précis.

In the context of an energy, ecological and climate crisis, integrating renewable energy sources in electrical grids appears as an absolute necessity. A bibliographic study of renewable energy production technologies, energy storage elements and electrical grids with a specific focus on LVDC micro-grids is proposed in this thesis. Modeling methodologies for the photovoltaic energy production of the BIPV platform ADREAM of LAAS-CNRS based on the building's integrated database as well as for multiple electrochemical storage technologies such as lead, lithium polymer and hybrid carbon batteries. Hydrogen is investigated as possible vector of energy for the future. An overview of industrial hydrogen applications and usages of hydrogen as energy storage is given as well as an insight on the concept of hydrogen production through water electrolysis using photovoltaic sources, named "solar fuels". A prototype of a solar to hydrogen energy conversion chain was designed in collaboration with the RCAST laboratory, Tokyo. The prototype serves as an experimental part for this thesis and is composed of high efficiency triple junction photovoltaic cells, small scale electrolyzer cells, distributed Buck and Boost micro-converter architectures and lithium storage elements with the goal of achieving high solar to hydrogen conversion efficiency while permitting precise control.