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Nano-grid : Développement d’une interface de conversion DC-DC pour pile microbienne

ABG-127055 Master internship 5 months 639,95€
2024-11-21
Laboratoire Ampère UMR CNRS 5005
Auvergne-Rhône-Alpes France
  • Electronics
nano-grid, conversion DC-DC, low-tech, frugal electronic, microbial fuel cell
2025-01-22

Employer organisation

Le laboratoire Ampère (UMR 5005) est issu de la fusion en 2007 de deux unités de recherche - le Centre de Génie Électrique de Lyon (CEGELY - UMR 5005) et le Laboratoire d’Automatique Industrielle (LAI) de l’INSA Lyon - et de l’arrivée de chercheurs en microbiologie environnementale. Ampère possède aujourd’hui quatre tutelles réunies au sein de la COMUE « Université de Lyon » : le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), L’École Centrale de Lyon (ECL), l’Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon et l’Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL). Le laboratoire est hébergé dans cinq bâtiments répartis sur trois sites géographiques : l’ECL à Ecully (3 bâtiments), l’INSA (1 bâtiment) et l’UCBL (1 Bâtiment) à Villeurbanne.

L’activité de recherche de l’unité concerne « la gestion et l’utilisation rationnelle de l’énergie dans les systèmes en relation avec leur environnement ». Les thématiques scientifiques de l’unité sont en grande partie héritées des disciplines traitées dans les entités d’origine dont est issu Ampère : le génie électrique, l’automatique et de la microbiologie. L’activité d’Ampère est aujourd’hui répartie dans trois départements : « Méthodes et ingénierie des systèmes » (MIS) « Énergie Électrique » (EE) et « Bio-ingénierie » (BIO). Elle est également structurée en sept priorités scientifiques incluant : quatre priorités intra-départements : « Exploitation des communautés bactériennes » (priorité B1, département BIO), « Composants haute tension et constituants réseaux » (priorité E1, département EE), « Systèmes et performances » (priorité M1, département MIS), « Systèmes et multi-énergies » (priorité M2, département MIS), et trois priorités inter-départements : « Biomicrosystèmes, Bioélectrochimie, Bioelectromagnétisme » (priorité T2, départements BIO, MIS et EE), « Conversion sous contraintes » (priorité E2, départements EE et MIS) et Systèmes et énergie sûrs (priorité T1, départements EE et MIS).

Description

Contexte
Un nano-réseau ou nano-grid est un petit système électrique localisé qui dessert généralement un seul bâtiment ou un petit groupe de bâtiments. Il fonctionne indépendamment ou conjointement avec le réseau principal, en utilisant des sources d'énergie locales telles que des panneaux solaires, des éoliennes ou des batteries. Les nano-réseaux sont conçus pour améliorer la fiabilité, l'efficacité et la durabilité de l'énergie, en particulier dans les zones isolées ou en cas de panne du réseau. Les nano-grids peuvent fonctionner de manière autonome ou en parallèle avec le réseau principal et sont généralement gérés par des systèmes de contrôle intelligents qui optimisent la production, le stockage et la consommation d'énergie. Ils permettent également un partage de l’énergie au travers d’une approche entre pair (P2P) permettant aux bâtiments d'un nanogrid de partager l'énergie excédentaire, ce qui accroît encore l'efficacité énergétique et réduit les coûts. Les solutions de nano-grid sont particulièrement étudiées dans les pays en voie de développement ou les régions isolées ayant besoin d’une résilience énergétique. Néanmoins des solutions de stockage de l'énergie, telles que les batteries à l'état solide et les systèmes de stockage hybrides, sont essentielles pour garantir que les nanoréseaux puissent fournir une alimentation ininterrompue. Par ailleurs des dispositifs d'IoT (Internet des objets) sont également intégrés pour permettre la surveillance à distance, la détection des pannes et l'automatisation, améliorant ainsi la fiabilité et la sécurité des nano-réseaux.
 
Les piles Microbiennes (MFC Microbian Fuel Cell) sont des piles fournissant de l’énergie au travers de la dégradation chimique d’eau polluée ou de sols contaminés. Ces piles de dimensionnement variable peuvent alimenter des bâtiments comme des systèmes embarqués. Elles sont à même de fournir un relais dans l’utilisation de solution de stockage ouvre des perspectives intéressantes vis à vis des piles microbiennes (dont les piles à urine) où celles-ci se substitueraient aux solutions actuelles dont la recyclabilité, le coût carbone et le coût financier sont des freins.
 
Si dans le cadre des systèmes à récupération d’énergie, il existe des architecture éprouvées et performantes dont le circuit AEM30330C0010 de EPEAS, les caractéristiques électriques des piles microbiennes rendent inefficaces les algorithmes communément utilisés pour assurer le maintien au point maximal de puissance extraite (MPP ou Maximum Power Point) plutôt adaptés pour des sources d’énergie de type mécanique ou solaire. Il est donc nécessaire de développer des circuits dédiés.
De plus le contexte de déploiement visé et la philosophie de circuit auto-alimenté à architecture minimaliste voire low-tech ouvre la voie à des architectures de circuits certes anciennes mais pour lesquelles les piles microbiennes présentent des perspectives intéressantes.
Des premiers travaux menés en collaboration avec l’université de Southampton ont permis de valider des résultats prometteurs à base d’un circuit à capacité commutée (le LM2663) en utilisant les piles microbiennes à la fois comme source d’énergie mais comme capacité de l’architecture commutée du système.
L’objectif de ce stage est de développer une architecture low-tech performante pour assurer la récupération d’énergie d’une pile microbienne dans un premier temps puis d’un nano-grid de piles microbiennes (équilibrage des piles, gestion de l’intermittence, P2P…).
 
Déroulé du stage
Après avoir pris connaissance du banc expérimental de test de piles microbiennes, le stagiaire aura les missions suivantes :

  • Etat de l’art sur les architectures DC-DC adaptées aux piles microbiennes
  • État de l’art sur les nano-grids
  • Établissement d’un cahier des charges pour un Convertisseur DC-DC local de sortie d’un nano-grid
  • Conception et simulation des circuits de conversion
  • Réalisation des PCBs des circuits
  • Tests et caractérisations des circuits sur mise en charge de piles microbiennes
  • Optimisation des circuits réalisés
  • Préparation d’une publication scientifique

 
Matériel mis à disposition et organisation du stage
Stations de travail avec logiciels de CAO électronique, atelier électronique, banc de test et de mesure de piles microbiennes.

Le stage aura lieu entre le site de Roanne où se situe le laboratoire hébergeant les piles microbiennes et le site de Villeurbanne, dans une quotité à définir avec le stagiaire.

Profile

Les compétences développées dans ce stage sont les suivantes

  • Conception électroniques d’appareils nomades de mesure.
  • Développement d’une chaîne de conversion DC-DC.
  • Développement de cartes PCB.
  • Développement de protocoles de mesures.
  • Optimisation énergétique.
  • Développement d’un nano-réseau.

Une formation en génie électrique est souhaitée. Une première expérience dans la conception de PCB sera appréciée ainsi qu'une spécialisation dans la conversion électrique faible tension.

Starting date

2025-03-03
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