Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Investigation and optimisation of hybrid electricity storage systems based on compressed air and supercapacitors

Lemofouet-Gatsi, Sylvain ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3628.

Add to personal list
    Summary
    An increasing recourse to renewable energies is one of the key solutions to address the current resource and environmental concerns related to the world energy supply. Because of the distributed and intermittent nature of several of them (Solar, Wind), an efficient and economically viable exploitation of renewable energies relies on the use of energy storage means. Fuel-free compressed air energy storage technologies are highly compatible with renewable energies because of their inherent environmental advantages. However their low energy performances have been the main barrier to their widespread utilization. Pneumatic storage is considered in this thesis with the goal of improving its energetic and power performances so as to make it more efficient and suited for renewable sources support. Storing/generating electrical energy into/from compressed air requires a multiple-step conversion process through an intermediary mechanical energy. Pneumatic-to-mechanical energy conversion is studied first. The suppression of the pressure regulation is proposed to avoid the important energy losses related to this operation. Consequently the volumetric machine must operate at higher and variable pressure. The analysis of the efficiency characteristics of these machines shows the existence of a pressure dependent optimal speed that corresponds to the maximum efficiency. A Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT) strategy, based on efficiency-controlled variable speed operation, is proposed for the real time optimization of the conversion efficiency. Experimental results confirm the effectiveness of the proposed strategy both with air machines and oil-hydraulic machines. Oil-hydraulic machines offer higher conversion efficiencies compared to air machines, but require an air-to-oil interface. Two possible ways of realizing such an interface have led to the two hydro-pneumatic storage systems presented. The proposed efficiency-controlled variable speed operation has allowed improving the cycle efficiency of the experimental hydro-pneumatic conversion system by about 4% compared to that of a constant speed operation. In order to provide good power quality and flexibility to these storage systems, a hybrid topology that associates the main, hydro-pneumatic storage subsystem with an auxiliary, supercapacitive storage subsystem is proposed. The power variation is achieved by an intermittent operation of the main storage subsystem and the use of the auxiliary storage subsystem to smooth the resulting power, through the regulation of the common DC bus voltage. The hybrid storage system is thus compatible with a wide range of load and source powers, thanks to the obtained power flexibility. An efficiency analysis shows that the performances of the auxiliary storage greatly affect that of the global storage system. The auxiliary storage should therefore exhibit very high conversion efficiencies so that an acceptable overall efficiency can be expected. A formal method for optimally sizing the supercapacitive auxiliary storage system is proposed, that allows meeting both the voltage and energy requirements while minimizing the cost. A control strategy to optimize the standby efficiency of the interfacing multi-phase DC-DC converter is also proposed, which is based on "power-controlled variation of the number of active phases". Many other application-dependent topologies for the hybrid storage systems are proposed, that help meeting each application's particular requirements while optimizing its performances and cost. A comparative cost evaluation, realized in the context of a stand-alone photovoltaic home application, shows that in addition to its inherent environmental advantages, hydro-pneumatic storage is cost-effective compared to lead acid battery storage.
    Résumé
    Le recours croissant aux énergies renouvelables est une des solutions clef aux problèmes environnementaux et de ressources liés à l'approvisionnement énergétique mondial. Du fait de la nature aléatoire et répartie de certaines de ces sources (solaires et éoliennes notamment), le stockage est indispensable à une utilisation efficace et économiquement viable de ces énergies. Le stockage d'énergie par air comprimé (sans adjonction de fuel) s'avère, de part ses nombreux avantages environnementaux, hautement compatible avec les énergies renouvelables; cependant ses performances énergétiques limitées constituent le principal obstacle à son utilisation. Ce travail de thèse vise à optimiser le stockage pneumatique afin de le rendre plus efficace, principalement pour les applications d'énergies renouvelables. Le stockage pneumatique de l'énergie électrique requiert plusieurs étapes de conversion passant par une forme mécanique intermédiaire. La conversion pneumatique-mécanique est donc d'abord étudiée. La suppression de la régulation de pression est proposée afin éviter les pertes d'énergie liées à cette opération. En conséquence, la machine volumétrique fonctionne à pression variable et plus élevée. L'analyse de la caractéristique de rendement de ces machines montre l'existence d'une vitesse optimale qui correspond au rendement maximum et qui dépend de la pression. Une stratégie d'optimisation en temps réel du rendement, basée sur le fonctionnement à vitesse variable commandée par le rendement, est proposée. Les résultats expérimentaux confirment l'efficacité de cette stratégie aussi bien avec les machines pneumatiques qu'avec les machines hydrauliques. Les machines hydrauliques offrent en effet de meilleurs rendements de conversion comparativement aux machines pneumatiques, leur utilisation requiert cependant un interfaçage air-huile dont la réalisation a conduit aux deux systèmes de stockage hydropneumatique présentés. Le fonctionnement à vitesse variable proposé, a permis d'améliorer le rendement de cycle du système de conversion hydropneumatique expérimental d'environ 4% comparé à celui d'un fonctionnement à vitesse constante. Afin de garantir la qualité et la flexibilité de puissance du système de stockage, une topologie hybride qui associe le stockeur hydropneumatique principal à un stockeur auxiliaire à supercondensateurs, est proposée. La stratégie de variation de la puissance de sortie est basée sur un fonctionnement intermittent du stockeur principal; le stockeur auxiliaire est alors utilisé pour lisser la puissance résultante à travers la régulation de la tension du bus continu commun. La flexibilité de puissance ainsi obtenue rend le système de stockage compatible avec une large gamme de puissances de charge et de source. L'analyse du rendement montre que les performances du stockeur auxiliaire ont un grand impact sur celles du système global. Le stockeur auxiliaire doit donc avoir un rendement très élevé pour obtenir un rendement global acceptable. Une méthode formelle de dimensionnement du banc de supercondensateurs, qui permet de respecter à la fois les contraintes d'énergie et de tension tout en minimisant les coûts, est présentée. Une stratégie de contrôle du convertisseur DC-DC multicanaux d'interfaçage du banc, qui permet d'optimiser son rendement à charge partielle, est aussi proposée. Elle est basée sur la variation dynamique du nombre de canaux actifs, commandée par la puissance. Plusieurs autres topologies du système de stockage hybride sont proposées, qui permettent de mieux répondre aux exigences particulières de chaque application tout en optimisant les performances et le coût. Une évaluation comparative de coût du stockage est également effectuée, dans le contexte d'une application photovoltaïque autonome. Elle montre qu'en plus de ses nombreux avantages environnementaux, le stockage hydropneumatique est économiquement plus viable que le stockage par batterie au plomb.