Diego CONCHA soutiendra sa thèse vendredi 10 octobre à 9h30 en salle des thèses (C002) à l’ENSEEIHT, 2 rue Charles Camichel, sur le sujet :
Électronique de puissance spécifique pour l’alimentation des électrolyseurs par des énergies renouvelables
Composition du jury :
- M. Damien GUILBERT, Rapporteur, Université Le Havre
- M. Serge PIERFEDERICI, Rapporteur, Université de Lorraine, Nancy
- M. Henri SCHNEIDER, Examinateur, Institut National Polytechnique de Toulouse
- Mme Melika HINAJE, Examinatrice, Université de Lorraine, Nancy
- M. Hugues RENAUDINEAU, Examinateur, Universidad San Sebastián, Valdivia, Chili
- M. François GRUSON, Examinateur, Arts et Métiers ParisTech – Campus Lille
- M. Maurice FADEL, Directeur de thèse, Institut National Polytechnique de Toulouse
- M. Samir KOURO, Co-directeur de thèse, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chili
Membres invités :
- M. Javier SOLANO, EIFER – European Institute for Energy Research, Karlsruhe, Allemagne
- Mme Ana LLOR, Maîtresse de conférences et co-encadrante de la thèse, Institut National Polytechnique de Toulouse
Résumé :
Cette thèse porte sur la conception et l’analyse des systèmes d’électronique de puissance utilisés pour alimenter des modules d’électrolyseurs à partir d’énergies renouvelables, en particulier au travers de l’étude de topologies de convertisseurs DC-DC alimentés par des éoliennes offshore dans un système hors réseau. Les topologies conventionnelles de type Buck, telles que le convertisseur Buck (BC), ont été largement étudiées et sont les solutions les plus couramment proposées dans la littérature pour l’alimentation des électrolyseurs. Les convertisseurs Flying Capacitor Converter (FCC) et Dual Buck Converter (DBC), bien que considérés eux aussi comme conventionnels, ont été moins explorés.
Étant donné la plage de tension de fonctionnement restreinte des électrolyseurs, un convertisseur DC-DC traitant uniquement une fraction de la tension d’entrée — tout en couvrant la plage requise — peut représenter une solution efficace. Le TransformerLess Partial Voltage Converter (TLPVC) est proposé comme une topologie modulable, optimisée pour les systèmes d’hydrogène vert. Ce convertisseur traite uniquement une fraction de la tension d’entrée et permet d’alimenter deux électrolyseurs, contrairement aux convertisseurs DC-DC conventionnels.
Le convertisseur Buck constitue une solution simple et économique, mais ses semi-conducteurs doivent supporter la totalité de la tension d’entrée, ce qui peut engendrer un stress électrique important. Le convertisseur Flying Capacitor ou le Dual Buck permet d’atténuer ce problème en réduisant la tension de blocage des semi-conducteurs à la moitié de la tension d’entrée, tout en diminuant l’ondulation du courant dans les électrolyseurs. Le TransformerLess Partial Voltage Converter conserve non seulement cet avantage de réduction de la tension de blocage, mais permet également d’alimenter deux électrolyseurs au lieu d’un seul, renforçant ainsi la modularité du système.
Par ailleurs, l’indice d’utilisation de la capacité des semi-conducteurs (SCUI), qui quantifie l’utilisation effective des dispositifs en fonction de leurs sollicitations en courant et en tension, est plus élevé dans le TLPVC que dans les convertisseurs conventionnels. Cette meilleure utilisation se traduit par un usage plus efficace du matériau semi-conducteur, avec des avantages économiques et thermiques. Ces caractéristiques font du TLPVC une solution prometteuse pour la production d’hydrogène vert à grande échelle. Enfin, afin de répondre aux besoins de puissance plus élevés, l’étude s’étend également aux topologies interleaved, qui permettent d’augmenter la puissance délivrée tout en améliorant le partage du courant des dispositifs.
Abstract :
This thesis focuses on the design and analysis of power electronics systems used to supply electrolyzer modules with renewable energy, particularly examining DC-DC converter topologies powered by offshore wind turbines in an off-grid system. Conventional buck DC-DC converter topologies, such as the Buck Converter (BC), have been widely studied and are the most commonly proposed solutions in the literature for supplying electrolyzers. The Flying Capacitor Converter (FCC) and the Dual Buck Converter (DBC), although also considered conventional, have been explored to a lesser extent.
Given the narrow operational voltage range of electrolyzers, a DC-DC converter that processes only a fraction of the input voltage—while still covering the electrolyzer’s required range—can be an effective solution. The TransformerLess Partial Voltage Converter (TLPVC) is proposed as a modular topology optimized for green hydrogen systems, processing only a fraction of the input voltage and offering the capability to power two electrolyzers, compared to conventional DC-DC converters.
The Buck Converter is a simple and cost-effective solution, but its semiconductors must handle the full input voltage, which can lead to high electrical stress. The Flying Capacitor Converter or the Dual Buck Converter mitigates this issue by reducing the blocking voltage of the semiconductors to half of the input voltage, while also decreasing the electrolyzer current ripple. The TransformerLess Partial Voltage Converter not only maintains the advantage of lowering the blocking voltage of semiconductors but also supplies power to two electrolyzers instead of just one, enhancing system modularity.
In addition, the Semiconductor Capacity Utilization Index (SCUI), which quantifies the effective use of semiconductor devices by evaluating their current and voltage ratings, is higher in the TLPVC compared to conventional DC-DC converters. This improved utilization indicates a more efficient use of semiconductor material, contributing to both economic and thermal advantages. These features make the TLPVC a promising solution for large-scale green hydrogen production. Finally, in order to address higher power demands, the study also explores interleaved structures, which enable increased power delivery while improving current sharing across devices.
