’Netto-noll utsläpp’ i EU vid 2050 är ett av målen för att påskynda övergången från fossila bränslen till mer förnyelsebara och hållbara alternativ. Detta har däremot introducerat mer turbulens på elnäten. Ett av verktygen för att reglera och förbättra eldistributionen är stor-skaliga batterier, där litium-jon är den mest förekommande kemin. Men på grund av oro kring resursutbud och hopp om teknologidiversifiering har det påbörjat en sökning efter alternativ som kan användas i stället eller tillsammans med litium-jon batterier. Från en lång lista så har tre alternativ med hög potential identifierats. Dessa är nickel-vätgasbatteri, zink-brom flödesbatteri och järn-luftbatteri. Deras lämplighet undersöktes och diskuterades för flertalet användningsområden och för ett speciellt användarfall av Vattenfall. Slutsatsen var att utav de tre, så är det endast nickel-vätgas som kan förväntas vara ett bra alternativ för specifika fall, att zink-brom har få möjligheter att konkurrera och att järn-luft har väldigt hög potential men också många oklarheter som gör det svårt att förutspå dess utveckling. / With net-zero emissions set to be achieved in the EU by 2050, the transition from fossil-based energy sources to more renewable and green options are ever expanding. This puts a strain on the electricity grids because of the intermittent nature from these energy sources. To mitigate this battery systems are used, of which the lithium-ion battery is the most prevalent, and expected to only increase in use. However, material resource concerns and possible danger of over-reliance on one technology has opened for a search to find other alternatives that could be used instead or in conjunction with the battery. Out of a long list of batteries, the nickel-hydrogen battery, zinc-bromide flow battery and iron-air battery are three alternatives that have been identified to have potential. Their suitability was researched and discussed for various grid-applications. The result show that out of the three, it is only believed that the nickel-hydrogen battery have a definitive competitiveness, that the zinc bromide flow battery has few things going for it, and that the iron-air battery has large potential but just as large uncertainty surrounding its future. Lastly, a specific off-shore wind park case was investigated to see the practicality and competitiveness of the nickel-hydrogen battery compared to a specific lithium-ion chemistry.

Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie renouvelable, la batterie hydrogène produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile à combustible est alimentée en gaz, elle fournit de l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance, quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversion de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est ici envisagée, la présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement à fort ratio de conversion est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de recherche sont développés. Le premier axe développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé « miroir » obtenus dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe porte sur de nouveaux composants de puissance en nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologiques et scientifiques de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants. / Development of renewable energy seems inevitable to face the energy challenge of today and tomorrow. However, the power generation of promising renewable sources such as solar or wind power is intermittent and unpredictable due to the dependence of the these sources to the weather. In order to overcome the discontinuous nature of the electricity production and the mismatch between production and consumption, electrical energy storage is needed. In this context, hydrogen battery is one of the solutions. During periods of overproduction of renewable energy, an electrolyzer produces hydrogen gas by the electrolysis of water. When necessary, a fuel cell provides electricity from the stored gas. Coupled with renewable energy sources, the hydrogen battery produces carbon-free electricity, i.e. without any greenhouse gas emission. The major advantage of this technology is the decoupling between energy and power system. As long as the fuel cell is supplied with gas, it supplies electricity. Like so, the energy depends on the gas tanks and the system power depends on the characteristics of electrochemical components and the design of the power conversion chain. Power converters connect electrochemical components to the grid. In the case of the transformerless conversion system introduce here, a high efficiency high voltage gain DC-DC converter is required given the high-current low-voltage characteristic of electrochemical components. Since the main goal is to optimize the efficiency, two research approaches are developed. The first develops an innovating multicell converter with high efficiency at high voltage conversion ratio. The experimental results of the “mirror” converter obtained in two experiments have demonstrated the superiority of this topology in terms of energy efficiency compared to conventional converters. The second line of research focuses on new gallium nitride (GaN) transistors heralded as a disruptive technology. A multiphase buck converter illustrates the technological and scientific challenges of this technology and shows the potential of these transistors.