Hydrogen-based energy storage UNIT for STAND ALone PV systems
L'Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d'électricité pour systèmes photovoltaïques isolés
Résumé
Stand alone systems supplied only by a photovoltaic generator need an energy storage unit to be fully self-sufficient. Lead acid batteries are commonly used to store energy because of their low cost, despite several operational constraints. A hydrogen-based energy storage unit (HESU) could be another candidate, including an electrolyser, a fuel cell and a hydrogen tank. However many efforts still need to be carried out for this technology to reach an industrial stage. In particular, market outlets must be clearly identified. The study of small stationary applications (few kW) is performed by numerical simulations. A simulator is developed in the Matlab/Simulink environment. It is mainly composed of a photovoltaic field and a storage unit (lead acid batteries, HESU, or hybrid storage HESU/batteries). The system component sizing is achieved in order to ensure the complete system autonomy over a whole year of operation. The simulator is tested with 160 load profiles (1 kW as a yearly mean value) and three locations (Algeria, France and Norway). Two coefficients are set in order to quantify the correlation between the power consumption of the end user and the renewable resource availability at both daily and yearly scales. Among the tested cases, a limit value of the yearly correlation coefficient came out, enabling to recommend the use of the most adapted storage to a considered case.There are cases for which using HESU instead of lead acid batteries can increase the system efficiency, decrease the size of the photovoltaic field and improve the exploitation of the renewable resource. In addition, hybridization of HESU with batteries always leads to system enhancements regarding its sizing and performance, with an efficiency increase by 10 to 40 % depending on the considered location. The good agreement between the simulation data and field data gathered on real systems enabled the validation of the models used in this study.
Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d'énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d'hydrogène. Mais il reste d'importants efforts à fournir avant de voir l'essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l'environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement: le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l'autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l'usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l'échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L'emploi de l'USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l'exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l'hybridation de l'USEH avec des batteries permet d'améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés.
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