Добірка наукової літератури з теми "Système de batteries de stockage d'énergie"

Dans cet article, nous avons étudié dans le simulateur Pspice, la conception et le fonctionnement d’un système photovoltaïque (PV) destiné au stockage de l’énergie électrique, produite par les panneaux PV, dans les batteries de tensions inférieures à celles optimales des panneaux PV (batteries stationnaires ‘2V’,….). Dans ce système, la régulation de la puissance est effectuée par le biais d’un convertisseur DC/DC, de type Buck (dévolteur), et d’une commande MPPT qui fixe la tension optimale du panneau PV à une valeur fixe (Commande CFT) [8]. Les résultats obtenus montrent d’une part le bon fonctionnement de chaque bloc du système, et d’autre part l’oscillation de la puissance fournie par le générateur PV autour du point de puissance maximale (PPM). Les différents résultats obtenus dans Pspice sont validés à partir du système PV réalisé au laboratoire. Durant une journée de fonctionnement, nous avons montré un très bon accord entre l’expérience et la simulation, et des performances très satisfaisantes du système PV conçu et réalisé au cours de ce travail. Pour une journée où l’éclairement maximal est de l’ordre de 750 W/m2 (vers le milieu de la journée), l’énergie produite par le panneau est de l’ordre de 290 Wh. En comparant avec le fonctionnement optimal du panneau, obtenu par la modélisation du fonctionnement des panneaux PV dans Pspice, nous avons montré que les pertes d’énergie sont inférieures à 1.4 %. Ces faibles valeurs de pertes, le rendement satisfaisant du convertisseur (> 70 %) et donc le bas coût du système PV montrent que le système PV conçu et réalisé peut être utilisé dans une installation pour usage domestique: éclairage, audio visuel, télévisons,…

The purpose of this paper is to develop and validate mathematical models of different elements or subsystems of our hybrid power generation system. Each component is modeled as a modular block that can easily be electrically connected to other subsystems. We used the software Matlab®- Simulink R2012a for implementation of our different models. The equations used here are empirical-semi empirical equations and allowed us to model our different components to describe correctly phenomena involved. It was necessary to have data from manufacturer such as polarization curve, surface of an elementary cell, coefficient related to threshold operating parameters, auxiliary consumption parameters and gas stoichiometry. All these allowed us to build under Matlab®-Simulink, photovoltaic panels block, battery pack block, fuel cell block, electrolyzer block and all curves representing different powers produced or consumed and different gases produced or consumed.

L'étude de faisabilité et la conception optimale d'un système énergétique hybride pour fournir de l'énergie électrique à un site éloigné de M'Sila est examinée dans ce papier. Le but de ce document est de concevoir et de simuler un mini-réseau hybride PV/batterie optimal qui fonctionne d'une manière fiable, afin d'assurer une alimentation électrique ininterrompue. En raison de la nature intermittente des ressources renouvelables, un générateur diesel y est ajouté. Afin de réaliser l'étude de faisabilité du système hybride, la conception optimale du système est basée sur un modèle de simulation développé par le logiciel Homer®. Le logiciel est utilisé pour l'évaluation technique, économique et environnementale. Le concept de la probabilité de perte d’énergie (LPSP) est supposé nul (DPSP = 0 % signifie que la charge est toujours satisfaite), avec un coût net actuel total (TNPC) et un coût énergétique (LCOE) minimal. Dans ce contexte, un profil de charge pratique du site est utilisé avec des données météorologiques réelles. Les résultats de l'optimisation catégorisée montrent que, dans le cas d’une consommation de 9.8 kWh/jour, le système hybride PV/DG/Batterie peut être considéré économique dans le cas où le prix du diesel ne fluctue pas. Le système optimal est composé d'un module PV de 3 kW, d'un générateur diesel de 1 kW, d'un convertisseur de 2 kW et de 4 batteries modèle Hoppecke. D'après les résultats obtenues, la configuration est économique avec un coût en capital de 5.656 $, un coût d'exploitation annuel de 431 $/an, un coût net actuel de 11.159 $/an et un coût unitaire d'énergie de 0.244 $/kWh avec une fraction d'énergie renouvelable de 86 % et une réduction plus de 90.79% dans les émissions.

Cet article s’inscrit dans le cadre d’une évaluation de l’impact de l’utilisation des micro-réseaux, à base des systèmes photovoltaïques autonomes, dans le secteur primaire de l’économie Burundaise. Dans la première partie de l’article, le travail se focalise d’abord sur une étude de dimensionnement d’un système d’irrigation alimenté par un système autonome comportant des panneaux photovoltaïques (PV) associés à des périphériques de stockage (batteries). Dans la deuxième partie, l’impact est calculé par la technique de la régression multiple et l’estimation des paramètres est faite par la méthode des moindres carrées ordinaires, sous les hypothèses dites stochastiques et structurelles. Les résultats obtenus sont très satisfaisants et nous montrent un impact positif de l’intégration des micro-réseaux, à base des systèmes photovoltaïques autonomes, dans le secteur primaire de l’économie Burundaise.

Une méthodologie d’optimisation et de dimensionnement des systèmes hybrides photovoltaïque/éolien avec batteries de stockage est présentée dans ce papier. Cette méthodologie est basée sur les concepts de la probabilité de perte d’énergie (DPSP) comme critère technique et du coût du kilowattheure minimal comme critère économique. La simulation est effectuée sur une période d’analyse d’une année, en utilisant les données horaires de l’irradiation solaire sur le plan horizontal, de la vitesse du vent et de la température ambiante enregistrées au sein du CDER, (Centre de Développement des Energies Renouvelables). Ces données nous ont permis de calculer la puissance horaire produite conjointement par l’aérogénérateur et le générateur photovoltaïque et ce, sur la même période d’analyse. Un profil de consommation journalier type a été adopté, il est supposé identique pour tous les jours de l’année et correspond au profil de consommation rencontré généralement dans les sites isolés.

Cet article s’inscrit dans le cadre d’une évaluation de l’impact de l’électrification des zones rurales par les micro-réseaux, à base des systèmes photovoltaïques autonomes, sur l’économie Burundaise. Le travail se focalise sur une étude de l’utilisation d’un système comportant des panneaux photovoltaïques (PV) associés à des périphériques de stockage (batteries). Dans ce travail, l’approche proposée est la régression aux moindres carrés, sous les hypothèses de Gauss-Markov. L’estimateur aux moindres carrés est le meilleur estimateur non biaisé. Les résultats obtenus sont satisfaisants et nous montrent un impact positif de l’électrification des zones rurales par les micro-réseaux, à base des systèmes photovoltaïques autonomes, sur l’économie Burundaise.

Nous présentons dans cet article une étude de dimensionnement et d’optimisation technico-économique d’un système hybride photovoltaïque/éolien autonome avec batteries de stockage. Deux méthodes sont développées pour ce type de système. La première est basée sur la moyenne des valeurs mensuelles annuelles dans laquelle la taille des générateurs photovoltaïque et éolien est déterminée à partir des valeurs moyennes mensuelles des contributions de chaque composant. Dans la seconde méthode, la détermination des tailles de ces deux composants du système est basée sur le mois le plus défavorable (défini comme étant le mois qui nécessite la plus grande utilisation de la surface du générateur photovoltaïque/éolien). L’optimisation a été effectuée en tenant compte du paramètre économique qui représente un critère à ne pas négliger dans les systèmes fonctionnant avec des sources renouvelables. Afin de faire ressortir la configuration technico-économique optimale, plusieurs combinaisons de la fraction de la charge alimentée par le photovoltaïque sont considérées et pour lesquelles le coût total est déterminé. La configuration optimale sera ainsi obtenue pour les deux méthodes. Nos résultats montrent que le photovoltaïque présente une variante plus favorable dans le site d’Adrar relativement à l’éolien et cela par les deux méthodes utilisées. La méthode du mois le plus défavorable présente un coût du système plus élevé par rapport à celle de la moyenne des valeurs mensuelles par an. Cela est du à la meilleure fiabilité que présente le système déduit de cette méthode.

L'un des plus urgents problèmes auquel ont à faire face plusieurs pays en voie de développement est l'accès à l'eau potable. La plus grande partie de la population touchée par ce problème se retrouve en milieu rural, éloignée des grands réseaux de distribution d'électricité. Pour tenter de résoudre cette crise, l'introduction de systèmes de pompage photovoltaïques (PV), dans le cadre de programmes de pré-électrification rurale, offre une solution attrayante pour satisfaire les besoins en eau, en terme d'autonomie, de fiabilité et de performance. Un système de pompage photovoltaïque comprend un champ de modules PV qui transforme l'énergie solaire en électricité. Un onduleur (aussi appelé convertisseur) transforme ensuite le courant continu (CC) généré par le champ en courant alternatif (CA), ce dernier permettant d'alimenter un groupe moto-pompe (GMP) qui peut être immergé - dans un puits ou un forage - ou de surface (sur une rivière). II existe aussi des GMP à courant continu. Au lieu de stocker les surplus d'énergie produite dans de dispendieux accumulateurs (batteries), ce sont les surplus d'eau pompée que l'on emmagasine dans un réservoir. Ce système, dit « au fil du soleil », a obtenu d'excellentes performances en conditions réelles d'opération. Cependant, avec les méthodes de conception actuelles, la taille du réservoir est souvent grossièrement estimée. Dans le cas d'un réservoir trop petit, il en résulte une insatisfaction des usagers lorsque des débordements de réservoir se produisent. Ce gaspillaged'eau fait subir à la population des privations en ce qui concerne la consommation personnelle et affecte la rentabilité de l'opération quand les excédents d'eau sont habituellement vendus ou destinés à l'irrigation. Lorsque le réservoir est sur-dimensionné, les villageois ont alors à faire face à des coûts de construction trop élevés. La démarche entreprise dans cet article a pour but d'offrir une méthode de conception du réservoir qui ne se base pas uniquement sur le jugement et/ou les expériences passées. L'analyse du comportement des différentes composantes d'un système de pompage solaire a permis de mettre au point des modèles informatiques qui ont ensuite été validés grâce à des données obtenues sur le terrain au Sénégal. Le logiciel développé dans ce travail a pour but d'offrir une grande flexibilité pour la simulation de différents types d'équipement dans divers milieux d'opération. La qualité des résultats dépend étroitement de la précision des paramètres décrivant l'équipement et des données météorologiques. Grâce au logiciel, on pourra prédire le fonctionnement de nouvelles installations et assurer le suivi des systèmes déjà en place. La personne qui doit concevoir le système PV, de concert avec la communauté villageoise, sera capable de déterminer la taille optimale du réservoir (et peut-être valider les résultats obtenus avec les règles empiriques) permettant ainsi de mieux évaluer les coûts et les risques de pénurie qui sont liés à l'exploitation d'un système de pompage PV.

L’objectif principal de ce papier est d’analyser les transferts d’énergie qui ont lieu au sein du système hybride photovoltaïque/groupe électrogène/batteries. Une simulation du comportement énergétique d’un tel système est développé et plusieurs paramètres sont analysés tels que: énergie perdue, consommation de carburant, part du photovoltaïque dans la production globale. L’analyse a montré que les différentes énergies sont plus dépendantes de la taille du champ PV que de la capacité de stockage des batteries et qu’une capacité de stockage supérieure à deux ou trois jours d’autonomie n’est pas nécessaire car une augmentation du stockage au-dessus de cette valeur n’a pas un impact suffisant sur les performances du système hybride. Enfin, une étude économique a été réalisée pour déterminer la configuration optimale du système hybride, c’est-à-dire celle qui conduit au plus faible coût de production.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Haute Normandie à travers l'Université du Havre et le laboratoire GREAH, rentrent dans le cadre des activités de recherches développées au laboratoire GREAH depuis plusieurs décennies en matière d'intégration des sources d'énergies renouvelables dans les systèmes de production électrique et de stockage d'énergie. Le système hybride étudié est constitué d'une éolienne, d'un générateur diesel, de panneaux photovoltaïques, d'un banc de supercondensateurs et d'un banc de batteries acide-plomb le tout alimentant un site insulaire donné (consommateurs). L'éolienne et les panneaux photovoltaïques sont régulés à leur puissance maximale afin d'augmenter la part des énergies renouvelables. Les fluctuations de l'énergie éolienne sont reparties entre les supercondensateurs et les batteries selon la dynamique de chaque source. La présence des supercondensateurs réduit le nombre des cycles de charges et de décharges de la batterie, améliorant ainsi sa durée de vie tout en réduisant sa taille. En effet, les batteries constituent le maillon faible du système hybride. Pour cela, nous proposons une méthode d'estimation de sa durée de vie. Le générateur diesel est interfacé par des convertisseurs d'électronique de puissance afin de réguler la tension du bus continu tout en compensant le déficit d'énergie. Les fluctuations induites par le courant éolien étant absorbées par les sources de stockage, le générateur diesel compense uniquement les puissances de basses fréquences compatibles avec sa dynamique. Ceci améliore les performances du moteur diesel, réduit la consommation en fuel et les coûts de maintenance tout en augmentant sa durée de vie. Les lois de contrôle des convertisseurs et de gestion du transfert de l'énergie sont élaborées à partir d'une étude des caractéristiques technologiques des différents constituants du système. Une modélisation et un dimensionnement du système physique nous permet de mieux organiser la mise en œuvre expérimentale et la réalisation des convertisseurs d'électronique de puissance avec leurs dispositifs d'acquisition et de commande. Au cours des expérimentations, les différentes sources sont insérées dans le système de manière évolutive afin de mettre en évidence les contraintes et les interactions introduites par chaque source interconnectée. Ceci nous permet aussi de développer les solutions adaptées à chaque situation afin de continuer les expérimentations de manière efficiente. En effet, l'insertion d'une nouvelle source perturbe généralement la stabilité du système et nécessite souvent un réajustement des paramètres des régulateurs du système global. Les analyses des résultats expérimentaux mettent en évidence l'efficacité de la stratégie proposée pour la gestion de l'énergie et le contrôle des convertisseurs
This work is funded by the "Region Haute Normandie", the University of Le Havre and the GREAH laboratory, within the scope of research activities developed in the decades by GREAH laboratory on integration of renewable energy sources in systems of power generation and energy storage. The hybrid system considered consists of a wind generator, a diesel generator, photovoltaic panels, ultracapacitors and lead acid batteries for supplying the autonomous site (consumers). The wind power generator and photovoltaic panels are regulated at their maximum power to increase the penetration ratio of the renewable energy. The wind power fluctuations are dispatched between ultracapacitors and batteries according to the dynamics of each source. The using of ultracapacitors reduces the number of the battery cycles of charges and discharges, thereby improving its life and reduces its size. Because of the battery is the weak link of the system, we introduce a method to estimate its lifetime. The diesel generator is interfaced with the power electronics in aims to regulate the DC-bus voltage while compensating the difference between the load demand and the average value of the wind power. Fluctuations induced by the wind power generator are being absorbed by the storage devices. The diesel generator compensates only low frequencies energy compatible with its dynamics. This method can improve the performance of the diesel engine and can reduce the fuel consumption. The control laws of power converters and the energy transfer management methods are developed from a study of the technological characteristics of different components of the system. The modelling and sizing of the physical system is conducted in aim to perform the experimental implementation. The power electronic converters and the acquiring system (and measuring) are realised in the laboratory. During the experiments, different sources are inserted into the system in an evolutionary way to highlight the constraints and interactions introduced by each interconnected source. This also allows us to develop solutions tailored to each situation and to continue the experiments efficiently. Indeed, the insertion of a new source generally disrupts the stability of the system and often requires a readjustment of the parameters of the overall system regulation. Analyses of experimental results show the effectiveness of the strategy proposed for the energy management and the control of power converters

Les aéronefs « plus électriques » permettent de réduire la masse à embarquer, les émissions de gaz à effet de serre et la consommation de carburant. Leur développement nécessite d'adapter leur architecture électrique et leur capacité de production et de stockage d'énergie.Les systèmes de production et de stockage doivent être bien dimensionnés pour correspondre aux besoins énergétiques du véhicule. Une hybridation électrique entre un pack constitué de batteries lithium-ion et un pack de supercondensateurs peuvent répondre, respectivement, aux demandes en énergie et en puissance de la charge.Différentes architectures électriques permettant cette hybridation sont prises en compte. Ce travail de recherche traite du dimensionnement optimal de ces systèmes de stockage à bord d’un hélicoptère.Dans cette application particulière, la masse globale de l'ensemble du système de stockage doit être minimisé. Un outil de dimensionnement optimal est développé pour atteindre cet objectif en agissant sur la fréquence de coupure d’un filtre passe-bas. A partir du profil de mission le plus contraignant en énergie et en puissance demandées, cette approche fréquentielle permet la répartition de la demande de puissance entre nos deux systèmes de stockage et, donc, leur caractérisation.Les résultats d'optimisation obtenus par architecture électrique avec la méthode du recuit simulée, sont présentés et évalués dans toute la gamme de températures. Egalement, une adaptation de la stratégie de gestion de l'énergie est présentée pour tenir compte de l'influence de la température sur les performances de la batterie
The "more electric" aircrafts reduce the embedded weight, greenhouse gas emissions and fuel consumption. Their development requires to adapt their electrical architecture and their energy production and storage capacity.Production and storage systems must be well dimensioned to match thevehicle energy requirements. An electric hybridization integrating alithium-ion battery pack and a supercapacitor pack can respectively respond to the energy and power demands of the load.Different electrical hybridization architectures will be studied. This research project deals with the optimal designs of these storage systems on board a helicopter.In this particular application, the overall mass of the entire storagetank system must be minimized. An optimal sizing tool is developed toachieve this objective by acting on the cut-off frequency of alow-pass filter. This frequency approach, based on the most demanding mission profile in terms of energy and power, allows the allocation of power demand between our two storage systems and, therefore, their characterization.Optimization results obtained by electrical architecture using thesimulated annealing method are presented and evaluated over the entiretemperature range. An adaptation of the energy managementstrategy is also presented to evaluate the influence of temperature on battery performance

Ce travail de thèse présente la supervision, l'analyse et l'optimisation des systèmes de distribution d'électricité, considérant en particulier la pénétration des ressources distribuées d'énergie renouvelable et les moyens de stockage d'énergie. La planification de ces systèmes commence à devenir un problème croissant dû à la dérégulation dans la production d'électricité, les changements dans la politique environnementale, l'introduction des nouvelles technologies et la transformation vers la définition d'un réseau électrique intelligent. En conséquence, l'utilisation d'outils de modélisation et d'analyse pour l'évaluation de ces systèmes électriques en pleine évolution, attirent de plus en plus l'attention des planificateurs et opérateurs. Ceci a donné lieu au développement d'une plateforme expérimentale temps réel, et a permis de concrétiser le nouveau concept de gestion énergétique dans un territoire de Banque de l'Energie, introduit dans le projet VERTPOM®. Cette plateforme couvre tous les aspects des challenges concernant les futures exigences dans un réseau électrique de distribution, relatives à l'optimisation de la gestion dans la production et la consommation locales d'énergie électrique. Une installation matérielle/logicielle avec intérêt pour l'utilisation des outils de modélisation et d'analyse temps réel, avec quelques références d'application, est décrite également. En plus, une nouvelle méthodologie d'intégration d'un système de stockage d'énergie dans un réseau de distribution d'électricité réel est proposée, avec l'utilisation de capacités de calcul parallèle de la plateforme expérimentale. La localisation de ce système est obtenue grâce à une analyse de sensitivité, tandis que le dimensionnement en puissance est donné par le déploiement d'un algorithme génétique. Les résultats obtenus dans ces conditions démontrent l'efficacité de la technique de parallélisation proposée, qui montrent également, que l'amélioration du profil de tension et la réduction des pertes de puissance techniques, sont possibles grâce à l'intégration des moyens de stockage d'énergie dans le système électrique
This thesis presents the supervision, analysis and optimization of power distribution systems considering the penetration of distributed energy resources and energy storage systems. The power distribution system planning is becoming an increasingly issue due to the deregulation of the power industry, the environmental policy changes, the introduction of new technologies and the transformation towards a smart power distribution grid definition. In consequence, the use of modeling and numerical evaluation tools is getting more attention for the system planners and operators. This has resulted in the development of a real-time experimental platform belonged to the Bank of the Energy concept. The platform covers all aspects of the challenges of future power system requirements related to the optimization of the local energy production and consumption. A hardware/software setup with emphasis to the utilization of real-time simulation and hardware in the loop testing with some typical reference applications are described. Additionally, it is proposed a novel methodology for battery energy storage systems (BESS) integration over a real distribution system using the parallel computing capabilities of the experimental platform. The placement of BESS is performed by a sensitivity analysis, while the output power rating sizing is deployed using a genetic algorithm. The outcomes of this methodology demonstrate the effectiveness of the proposed parallelization technique and show that voltage profile improvement and losses reduction are possible introducing the BESS into the system

Les batteries Li-S sont des systèmes de stockage d'énergie prometteurs de nouvelle génération en raison de leur haute densité d'énergie et de leur faible coût. Cependant, des limitations importantes subsistent telles que le déclin de la capacité et la courte durée de vie dus à l'effet ‘navette’ des polysulfures de lithium. Des séparateurs modifiés ont été proposés à ce jour pour résoudre ce problème, mais leurs performances restent limitées en raison d'une mauvaise compatibilité entre les matériaux fonctionnels et le séparateur. Une approche alternative consiste à utiliser une couche intermédiaire, souvent un film autosupporté, entre la cathode de soufre et le séparateur. Développer des films intercalaires flexibles qui atténuent efficacement l’effet ‘navette’ et améliorent le transport du Li+ reste toutefois un défi. Cette thèse s’est focalisée sur la mise en forme de membranes à matrice mixte (MMM) à base de MOF microporeux (Metal-Organic-Framework) et de carbone conducteur afin de répondre aux exigences d'amélioration des batteries Li-S.Le chapitre 1 présente une vue d'ensemble des MOFs, en mettant l'accent sur leurs propriétés uniques et leurs applications potentielles. Il a également été abordé les avantages des MOFs et les défis associés à leurs méthodes de préparation les plus couramment utilisées. En outre, le chapitre a exploré les applications des MOFs dans divers dispositifs énergétiques et s'est concentré sur l'utilisation d'intercalaires et de séparateurs fonctionnels à base de MOF dans les batteries Li-S.Le PVA est un polymère attractif pour les MMM en raison de ses propriétés mécaniques, de sa faible toxicité et de son faible coût. Le chapitre 2 a consisté à améliorer l'uniformité des membranes MOF-801(Zr)/C/PVA. La charge maximale de MOF-801(Zr) dans ces membranes a été d'environ 25 %. Les caractérisations électrochimiques ont mis en évidence, malgré des capacités spécifiques plus élevées que les membranes PVA pures, des performances encore limitées pour des batteries Li-S incorporant des couches intermédiaires MOF-801(Zr)/C/PVA MMM. Par conséquent, la recherche s'est concentrée ensuite sur l'amélioration de la perméabilité du polymère et l'augmentation de la charge pour améliorer les performances des intercalaires.Le PVDF-HFP est apparu comme une matrice copolymère prometteuse pour les batteries Li-S avancées en raison de sa perméabilité favorable à l'électrolyte et de sa stabilité thermique. Dans le chapitre 3, des MMMs MOF-801(Zr)/C/PVDF-HFP ont été préparées et évaluées. Il a été démontré que la MMM MOF-801(Zr)/C/PVDF-HFP facilitait la diffusion du Li+ et une immobilisation efficace des polysulfures. Cela a permis l’obtention d’une capacité spécifique de 880 mA h g-1 même après 50 cycles. En outre, le potentiel des bisphosphonates métalliques MIL-91(Ti) et MIL-91(Al) en tant qu'intercalaires pour les batteries Li-S a été étudié, compte tenu de leurs ultra-microporosité et de leurs groupements polaires accessibles.Le PEO possède des propriétés adéquates pour les batteries Li-S, notamment une constante diélectrique élevée et une solvatation facile du Li+. Il s’est avéré que les matériaux possédant des centres acides sont avantageux pour améliorer la conductivité ionique et limitent la diffusion des polysulfures. Le chapitre 4 a ainsi permis d’incorporer des nanoparticules de MOF-801(Zr), possédant une surface spécifique élevée et une porosité ‘acide’, au sein de la matrice PEO. Ces MMM MOF-801(Zr)/C/PEO ont présenté une conductivité ionique élevée, ce qui est d’intérêt pour servir d’intercalaires au sein de batteries Li-S, conduisant à une amélioration remarquable de 40 % de la capacité de décharge.Au final, les principaux objectifs de cette thèse ont été atteints. Ce travail a permis de développer une méthode facile pour la préparation de nouveaux intercalaires MMM à base de MOFs. Cette méthodologie pourrait être facilement étendue à d'autres MOFs pour améliorer la performance des batteries Li-S
Li-S batteries are promising next generation energy storage systems due to their high energy density and low cost. However, important limitations remain such as capacity decline and short lifetime due to the shuttle effect of lithium polysulfides. Modified separators have been proposed to date to solve this problem, but their performance remains limited due to the poor compatibility between the functional materials and the separator. An alternative approach is to use an interlayer, often a self-supporting film, between the sulfur cathode and the separator. Developing flexible interlayers that effectively mitigate the shuttle effect and improve Li+ transport remains however a challenge. This thesis focused on the shaping of mixed-matrix membranes (MMM) based on microporous MOFs (Metal-Organic-Frameworks) and conductive carbon in order to meet the improvement requirements of Li-S batteries.Chapter 1 presents an overview of MOFs, emphasizing their unique properties and potential applications. The advantages of MOFs and the challenges associated with their most commonly used preparation methods were also discussed. Furthermore, the chapter explored the applications of MOFs in various energy devices and focused on the use of MOF-based functional interlayers and separators in Li-S batteries.PVA is an attractive polymer matrix for MMMs due to its mechanical properties, low toxicity and low cost. Chapter 2 consisted of improving the uniformity of MOF-801(Zr)/C/PVA membranes. The maximum loading of MOF-801(Zr) in these membranes was about 25%. The electrochemical characterizations highlighted a limited performance for Li-S batteries incorporating the MOF-801(Zr)/C/PVA MMM interlayers, despite higher specific capacities than pure PVA membranes. Therefore, further research has then focused on improving the polymer permeability and increasing the filler loading to improve the performance of the interlayers.PVDF-HFP has emerged as a promising copolymer matrix for advanced Li-S batteries due to its favorable electrolyte permeability and thermal stability. In chapter 3, MOF-801(Zr)/C/PVDF-HFP MMMs were prepared and evaluated. MOF-801(Zr)/C/PVDF-HFP MMM have shown to facilitate Li+ diffusion and an efficient polysulfide immobilization. A specific capacity of 880 mA h g-1 was obtained, even after 50 cycles. Additionally, the potential of metal bisphosphonates MIL-91(Ti) and MIL-91(Al) as interlayers for Li-S batteries was investigated, given their ultra-microporosity and accessible polar groups.PEO has suitable properties for Li-S batteries, including high dielectric constant and easy Li+ solvation. It has been found that materials with acidic centers are beneficial for improving ionic conductivity and limiting polysulfide diffusion. Chapter 4 thus focused on the incorporation of MOF-801(Zr) nanoparticles, with a high specific surface and an ‘acidic’ porosity, within the PEO matrix. These MOF-801(Zr)/C/PEO MMMs exhibited high ionic conductivity, which is of interest for use as interlayers within Li-S batteries, leading to a remarkable 40% improvement in discharge capacity.Overall, the main objectives of this thesis had been achieved. This work presented the development of a novel and facile approach for the preparation of new MOF-based MMMs interlayers. This methodology could be easily extended to other MOFs to enhance the performance of Li-S systems

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant.

Les limites des ressources d’énergies fossiles et la perspective imminente du changement climatique ont mené les pays de l’Union Européenne à engager une restructuration du secteur électrique vers un approvisionnement en énergie fiable, économique et durable. Dans cette optique de transition énergétique, les systèmes de stockage d’énergie peuvent faciliter l’intégration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques. Ils permettent de stocker l’énergie produite par les sources renouvelables pour décaler sa fourniture aux réseaux électriques et compenser les fluctuations aléatoires de la puissance. Par ce lissage de la production des sources intermittentes, les systèmes de stockage transforment ces dernières en centrales mieux contrôlables et plus prévisibles ce qui leur permet de participer aux marchés d’électricité et aux services systèmes.Afin de garantir le respect des plans de production et des engagements pris envers le gestionnaire du réseau, les centrales de production renouvelables équipées d’un système de stockage ont recours à un système de gestion d’énergie. Alors que le contrôle rapproché assure le respect de la consigne instantanée de production, la gestion d’énergie utilise des méthodes d’optimisation sous contraintes issues de la recherche opérationnelle pour planifier le fonctionnement des systèmes de stockage. Le plus souvent, un arbitrage est nécessaire entre les exigences du fonctionnement et la complexité du modèle utilisé. Les modèles de batterie, qui présentent un comportement non-linéaire, doivent être simplifiés en vue de les intégrer dans les algorithmes d’optimisation les plus courants. De plus, les modèles précis et particulièrement ceux qui sont basés sur une modélisation physico-chimique de la batterie exigent des tests de caractérisation chronophages réalisés dans des conditions contrôlées. Finalement, le comportement électrique de la batterie évolue avec son âge ce qui impose un recalage périodique du modèle en fonction du temps.Cette thèse présente une méthodologie d’identification de modèles de batterie en cours de fonctionnement et d’utilisation de ces modèles adaptatifs dans la gestion optimale d’une centrale de production électrique avec stockage. Après un rappel des modèles de batteries, des méthodes d’identification en temps réel issues de la théorie du contrôle sont développées dans le cas d’un modèle des circuits électriques équivalents. L’extraction d’un modèle simplifié pour la gestion d’énergie est décrite et juxtaposée à une analyse de régression directe des données de fonctionnement. Les méthodes d’identification sont testées pour un système de stockage réel de taille industrielle, associé à une centrale photovoltaïque installée sur l’île de La Réunion. L’identification du modèle dans le cadre d’une étude de vieillissement préalablement effectuée au sein du CEA, met en évidence le suivi de l’état de santé de la batterie.En vue de l’intégration des modèles adaptatifs dans la gestion, la formulation des problèmes d’optimisation rencontrés dans la planification d'une centrale photovoltaïque associée à un système de stockage est développée. Des implémentations en programmation linéaire-mixte et en programmation dynamique sont réalisées dans des cas d’études basés sur la participation aux marchés d’électricité ou dans le cadre d’une tarification réglementée, ainsi que la participation aux services système. Afin d’évaluer les performances de ces solutions, une architecture de contrôle pour la centrale est détaillée, et le fonctionnement de la centrale est simulé. Plusieurs configurations du système de gestion sont testées, y compris l’utilisation de modèles fixes ou variables ainsi que la prise en compte ou non du vieillissement de la batterie. Une analyse statistique des résultats obtenus pour différents cas de production photovoltaïque et d’erreurs de prévision montre que l’utilisation des modèles variables présente des avantages
Limited fossil energy resources and the prospect of impending climate change have led the European Union to engage in a restructuring of the electricity sector towards a sustainable, economical and reliable power supply. Energy storage systems have the potential of an enabling technology for the integration of renewable energy sources, which underlies this transition. They allow the delivery of energy produced by a local source to the electric grid to be shifted in time and can compensate random fluctuations in power output. Through such smoothing and levelling, energy storage systems can make the production of variable renewable sources predictable and amenable to control.In order to observe scheduled production and their commitments toward the grid operator, renewable power plants equipped with storage systems make use of an energy management system. While direct control ensures tracking of the current production setpoint, energy management employs constrained optimization methods from operations research to organize the usage of the storage systems. The complexity of the storage system model used in optimization must frequently be adapted to the specific application. Batteries show non-linear state-dependent behavior. Their model must be simplified for use in the most common optimization algorithms. Moreover, precise battery models based on physical modelling require time-consuming controlled testing for parameterization. Lastly, the electrical behavior of a battery evolves with aging which calls for regular recalibration of the model.This thesis presents a methodology for on-line battery model identification and the use of such adaptive models in optimal management of an electrical plant with energy storage. After a summary of battery models, observer methods for on-line identification based on control theory are developed for the case of an equivalent circuit model. The extraction of a simplified model for energy management is described and compared to direct regression analysis of the operational data. The identification methods are tested for a real industrial-sized storage system operated in a photovoltaic power plant on the island of La Réunion. Model identification applied to data from an earlier battery aging study shows the use of the method for tracking the state-of-health.The formulation of optimization problems encountered in the production scheduling of a photovoltaic power plant with energy storage is developed incorporating the adaptive battery models. Mixed-integer linear programming and dynamic programming implementations are used in case studies based on market integration of the plant or regulated feed-in tariffs. A simulation model based on the outline of the plant control architecture is used to simulate the operation and evaluate the solutions. Different configurations of the management system are tested, including static and variable battery models and the integration of battery aging. A statistical analysis of the results obtained for multiple cases of photovoltaic production and forecast error shows the advantage of using variable battery models in the study case

Ce travail contribue à l’optimisation d’un système de stockage hybride couplant une batterie lithium-ion et des supercondensateurs pour les véhicules électriques. La complémentarité entre ces deux sources d’énergie permet l’amélioration des performances globales du système. Notre étude porte sur la mise en oeuvre de techniques avancées de contrôle et de gestion de l’énergie. Notre objectif est d’avoir une meilleure utilisation du système de stockage. Dans ce cadre, notre démarche est de développer une gestion d’énergie en temps réel qui tient compte des contraintes électriques et thermiques des systèmes de stockage. Une étude comparative sur les avantages et les inconvénients de différentes techniques de gestion d’énergie nous a permis d’effectuer le choix entre un partage de puissance à moindre coût et un partage performant de l’énergie entre les systèmes de stockage. Un banc expérimental a été mis en oeuvre afin de concrétiser la démarche théorique
This work contributes to the optimization of a hybrid storage system that combines lithium-ion batteries with supercapacitors used for electric vehicles. This hybridization structure was chosen due to the complementarity between both used storage devices. Our study focuses on the implementation of advanced energy control and management techniques. Using better the storage system represents the goal of this thesis. Our approach is to develop a real time algorithm of energy management taking into account battery electrical and thermal behaviors. A comparative study evaluates the benefits and the drawbacks of each proposed strategy in order to offer various choices between low cost power sharing solutions and control strategy with high performances. An experimental bench was implemented to apply the theoretical concept

L’intégration croissante de la Génération Distribuée basée sur des sources d’énergies renouvelables présente de nouveaux défis pour le réseau électrique centralisé actuel. Le micro-réseau est une des alternatives envisagées afin d’augmenter le taux de pénétration d’énergie renouvelable et d’améliorer la qualité de l’énergie. La stabilité d’un micro-réseau est fortement sensible aux variations de puissance venant des sources d’énergie ou des charges. Dans ce contexte, un système de stockage d’énergie joue un rôle essentiel et doit satisfaire deux conditions : disposer d’une capacité de stockage importante pour adapter la production à la demande et être capable de fournir rapidement une puissance instantanée suffisante pour pallier les problèmes de qualité d’énergie. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir et valider expérimentalement un système de conversion de puissance et l’algorithme de contrôle associé pour la gestion du stockage dans un micro-réseau afin de satisfaire les deux conditions. Suite à l’analyse de différentes technologies de stockage, on peut conclure qu’il n’y a pas de système de stockage capable de satisfaire les conditions d’énergie et de puissance en même temps. Par conséquent, l’association d’un supercondensateur et d’une batterie Redox au Vanadium dans un Système de Stockage Hybride est utilisée pour satisfaire les conditions mentionnées. Le travail de recherche est axé sur la gestion du flux d’énergie et de puissance du Système de Stockage Hybride proposé à l’aide d’un système de conversion de puissance innovant et son algorithme de commande. Un convertisseur multi-niveaux 3LNPC a été choisi pour commander en même temps les deux systèmes de stockage, en raison de faibles pertes de puissance et de distorsions harmoniques réduites en comparaison avec d’autres topologies existantes. Un algorithme de commande capable d’exploiter les limites de fonctionnement du convertisseur sur toute sa plage de fonctionnement a été conçu afin de satisfaire de manière optimale les critères spécifiés. Le fonctionnement du système de conversion et la stratégie de commande proposée ont été validés d’abord en simulation et ensuite expérimentalement en utilisant le micro-réseau installé à l’ESTIA
The increasing penetration of Distributed Generation systems based on Renewable Energy Sources is introducing new challenges in the current centralised electric grid. The microgrid is one of the alternatives that is being analysed in order to increase the penetration level of renewable energy sources in electrical grids and improve the power quality. The microgrid stability is highly sensitive to power variations coming from the energy sources or loads. In this context, an energy storage system is essential and it must satisfy two criteria: to have a high storage capacity to adapt the generation to the demand and to be able to supply fast power variations to overcome the power quality problems that may arise. The main objective of this thesis has been to design a power conversion system and the associated control algorithm for a storage system management in order to satisfy the defined requirements, as well as to experimentally validate the proposed solution. After an analysis of different storage system technologies, it can be concluded that there is not any storage system capable of offering the energy and power requirements at the same time. Consequently, the association of a SuperCapacitor bank and a Vanadium Redox Battery is used to satisfy the mentioned requirements. This thesis has been focused on the power and energy flow management of the proposed Hybrid Energy Storage System through an innovative power conversion system and its control method. A Three-Level Neutral Point Clamped converter has been used to control at the same time the two storage systems, due to the reduced power losses and harmonic distortion compared to other existing topologies. A control algorithm that uses the operational limits of the converter in its entire operation range has been designed in order to allow selecting the best operation point according to the specified criteria. The operation of the power conversion system and the proposed control method have been first validated in simulations and then experimentally using the microgrid installed in ESTIA

La présence d'une fonction de stockage avec des sources d'énergie intermittentes permet d'obtenir une meilleure adéquation entre la consommation et la production d'énergie. Aujourd'hui, le stockage d'énergie est le plus souvent réalisé avec des batteries conventionnelles, principalement au plomb-acide, pour des raisons de coût, de fiabilité et de disponibilité industrielle. Cependant, la durée de vie des éléments de stockage actuels, l'impact sur l'environnement et le rendement trop faible entrainent la recherche d'autres moyens de stockage ayant des durées de vie compatibles avec les applications et présentant des fonctions plus flexibles. La technologie lithium parait être aujourd'hui un bon compromis si elle est associée à une électronique de précision assurant diverses fonctions. Cette thèse porte sur l'optimisation de moyens de stockages lithium-ion utilisés dans les énergies renouvelables et le développement de l'électronique associée. La validation de ces travaux a été faite à travers des systèmes de conversion photovoltaïques. Le rendement de conversion de l'ensemble a particulièrement été étudié en tenant compte de différents profils de charge et de décharge, du vieillissement et des sécurités des batteries ainsi que des derniers développements technologiques de batterie. Pour valider les algorithmes de gestion et qualifier les chaînes de conversion, un banc de mesure spécifique a été développé
The need of a storage function associated with intermittent power sources provides a better balance between consumption and energy production. Today, energy storage is most of the time done with conventional batteries like lead acid technology mainly for reasons of cost, reliability and commercial availability. However, the lifetime of actual storage elements, the environmental impact and the low efficiency causes the search for alternative storage facilities with lifetimes compatible with applications and functions more flexible. Lithium-ion technology today seems to be a good compromise if it is associated with an electronic precision performing various functions. This thesis focuses on optimizing lithium-ion technology used in renewable energy and the development of an associated electronics. The validation of this work has been done through photovoltaic conversion systems. The conversion efficiency of the assembly has been studied especially taking into account different charge and discharge profiles, aging and safety of batteries and the latest technological developments in battery. To validate management algorithms and qualify conversion chains, a specific test bench has been developed

Ce travail de thèse s’inscrit dans la continuité des activités de recherche du laboratoire GREAH sur les problématiques de la gestion d’énergie électrique et de l’amélioration de la qualité énergétique des systèmes de production aux énergies renouvelables. En effet, le couplage de plusieurs sources de natures différentes entraîne des problématiques de dimensionnement, de qualité d’énergie et de la durée de vie des éléments interconnectés. La démarche scientifique repose sur la caractérisation de l'évolution des résistances et des capacités des cellules de batteries LFP/supercondensateurs en fonction des contraintes électriques et thermiques, suivi de la modélisation du vieillissement accéléré des cellules. Nous proposons dans ce mémoire de thèse des améliorations de la réponse dynamique d’un bateau fluvial à propulsion électrique par l’hybridation des batteries LFP et des supercondensateurs. Nous proposons également une approche électrothermique pour la caractérisation et la modélisation multi-physique du vieillissement des batteries et supercondensateurs en utilisant des contraintes combinées de la température et de la fréquence des ondulations du courant de charge/décharge des cellules. Les données expérimentales collectées ont permis d'établir des modèles des supercondensateurs et des batteries dédiés aux systèmes multi-sources incluant des sources d’énergie renouvelable (éoliens et hydroliens). Les modèles développés se révèlent très précis par rapport aux résultats expérimentaux. Ils permettent une bonne description du phénomène de vieillissement des batteries LFP/supercondensateurs dû aux opérations de charge/décharge avec un courant continu fluctuant combiné à une température variable
This thesis work is a continuation of the research activities of the GREAH laboratory on the issues of the management of electrical energy and improving the energy quality of production systems for renewable energy. Indeed, the coupling of several different nature sources entails the problems of dimension, quality of energy and the lifetime of the interconnected elements. The scientific approach is based on the characterization of the evolution of the resistances and capacitances of the batteries/supercapacitors cells according to the electrical and thermal constraints, followed by the modeling of accelerated cells aging. In this thesis, we propose improvements to the dynamic response of an electric propulsion fluvial boat by using the hybrid system of lithium-batteries and supercapacitors. We also propose an electrothermal approach for the multi-physical characterization and modeling of the batteries and supercapacitors aging, using combined constraints of the temperature and frequency of the DC current ripples. The experimental data has been collected to establish models of batteries and supercapacitors dedicated to multi-source systems including renewable energy sources (wind and tidal turbines). The results of the developed models shown high accuracy compared with experimental results. These models illustrated a good description of the aging phenomenon of batteries/ supercapacitors due to charging/discharging operations with a fluctuating continuous current combined with a variable temperature