Analyse de l'impact du vieillissement des composants sur les performances d'un micro-réseau rural à énergie hybride PV-diesel-batterie : modélisation, contrôle et gestion de l'énergie

Analysis of the performance impact of component aging in a hybrid energy PV-diesel-battery rural microgrid : modeling, control, and energy management

• Auteur / Autrice : Khadim Ullah Jan
• Direction : Anne Migan-Dubois, Demba Diallo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuela Sechilariu, Fei Gao, Ghjuvan Antone Faggianelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuela Sechilariu, Fei Gao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Piles électriques

Électricité -- Production -- Génération répartie

Micro-réseaux électriques

Mots clés libres

Micro-Réseaux ruraux

Batteries de deuxième vie

Impact du dégradé

Gestion de l'énergie

Système optimal

Technico-Économique

Rural microgrids

Second-Life batteries

Degradation impact

Energy management

Optimal system

Techno-Economic

Résumé

Les micro-réseaux insulaires, un système de production d'électricité au niveau local, suscitent un intérêt croissant pour électrifier le bas de la pyramide sociale. Cependant, ces systèmes sont financièrement risqués pour les gestionnaires de réseaux en raison de la baisse des revenus. Par conséquent, l'accès à une énergie abordable restera un problème pressant pour plus de 8% de la population mondiale, dont 90% sont des résidents des zones rurales. Cette thèse propose une méthodologie en trois étapes pour modéliser, optimiser et analyser l'intégration abordable de batteries hors d'usage dans un micro-réseau rural à courant continu. Un micro-réseau PV-diesel-batterie plus adapté aux conditions locales du BURKINA FASO est proposé pour tester la viabilité technique et économique de notre hypothèse de deuxième vie. Les objectifs de l'étude sont atteints grâce à une approche basée sur des mesures et des simulations. La partie centrale des expériences porte sur l'analyse paramétrique et le vieillissement des batteries au plomb à l'aide d'un banc d'essai développé au laboratoire. Nous proposons deux tests de batterie pour estimer la capacité restante et le tri dans différents groupes. Nous avons également appliqué une technique modifiée pour récupérer la capacité des batteries en cas de cyclage lourd. Enfin, deux scénarios du modèle de micro-réseau moyen proposé sont simulés annuellement pour déterminer l'impact net du vieillissement des batteries et des générateurs diesel. Le flux d'énergie est contrôlé à l'aide d'une gestion de l'énergie basée sur des règles en raison de la facilité de sa mise en œuvre dans le contexte rural. Une technique d'optimisation hybride appelée optimisation par essaims de particules - algorithme génétique (PSO-GA hybride) est utilisée pour déterminer le dimensionnement optimal et le meilleur coût annuel. Le LCOE du design final en mode dégradé est de 0,18 dollar/ kWh, soit le même que le tarif domestique au BURKINA FASO. Comparé à 0,23 dollar/kWh dans le cas de base sans dégradation, le LCOE résultant dans le mode dégradé est 23,2% moins cher et respectueux de l'environnement en raison du report du recyclage des batteries. Nous avons également constaté que les batteries dont charge-décharge est inférieure à 60 % peuvent conduire à une exploitation non rentable et moins techniquement viable des batteries dans le micro-réseau. En fin de compte, une conception technico-économique optimale du micro-réseau de deuxième vie est alors proposée. Les conditions géographiques et économiques du site d'étude peuvent être utilisées pour appliquer les résultats de la thèse à des communautés similaires en manque d'énergie.

Islanded microgrids, a power generation scheme at the local level, are gaining interest in electrifying the bottom of the social pyramid. However, such systems are financially risky for grid managers due to less return on investment. Therefore, affordable energy access will continue to remain a pressing issue for more than 8% of the world's population, of which 90% are residents of rural areas. The thesis proposes a three-step methodology to model, optimize, and analyze the affordable integration of retired batteries in a DC rural microgrid. A PV-diesel-battery microgrid that is more suitable to the local conditions of BURKINA FASO is proposed to test the technical and economic viability of our second-life hypothesis for cost reduction.The study objectives are achieved based on an approach driven by measurements and simulations. The central portion of the experiments covers the parametric analysis and aging of lead-acid batteries using a test bench developed in the laboratory. We propose two battery tests to estimate the remaining capacity and sorting in different groups. We also applied a modified technique to recover battery capacity using heavy cycling. Finally, two scenarios of the proposed average microgrid model are annually simulated to determine the net aging impact of batteries and diesel generators. The energy flow is controlled using rule-based energy management due to the ease of its implementation in the rural context. A hybrid optimization technique called particle swarm optimization-genetic algorithm (hybrid PSO-GA) is used to determine optimal sizing and the best annual cost. The Levelized cost of energy (LCOE) from the final design in the degraded mode is 0.18 dollar/kWh, the same as the domestic tariff in BURKINA FASO. Compared to 0.23 dollar/kWh in the base case with no degradation, the resulting LCOE in the degraded mode is 23.2% cheaper and environment-friendly due to delaying battery recycling. We also found that batteries below 60% roundtrip efficiencies may lead to an uneconomical and less technically viable battery operation in the microgrid. Ultimately, a techno-economic optimum second-life microgrid design is then proposed. The geographic and economic conditions of the study site can be used to apply the thesis outcomes in similar energy-deprived communities.