Design and optimization of renewable energy-based electrification and water pumping systems

Irandoostshahrestani, Misagh (2025). Design and optimization of renewable energy-based electrification and water pumping systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this research, the design and optimization of a renewable energy-based system for the dual application of electrification and water pumping is investigated. The power generated by the renewable system is initially used for electrification purposes, and the excess power is used for water pumping for different purposes, like providing water for a small community or supplying water for irrigation purposes. Two concepts, loss of power supply probability (LPSP) and water shortage probability (WSP) are used for assessing the reliability of the system. In addition, for evaluating the feasibility of the study, various economic parameters, including payback period, CAPEX, and levelized cost of energy, are considered. Two types of energy systems are used in the study: solar photovoltaic (PV)- battery energy storage system (BESS) and PV-wind turbine (WT)- BESS. The first energy system (i.e., PV- BESS) is assumed to be used for a small house with constant energy consumption throughout the year, where the excess power is used for irrigating a farm in southern Iran, a region with abundant solar potential. The second energy system (i.e., PV- WT- BESS) is evaluated for a small community in Quebec with variable electricity consumption throughout the year (considerably higher in cold seasons), where the excess power from the wind turbines and PV panels is used for providing water for the community. A custom algorithm for numerical calculations and a dispatch strategy are employed. In brief, in this dispatch strategy, the priority is to generate electricity and then to charge the bank of batteries. If these conditions are met, the excess power is used for water pumping. The main goal of the study is to show the feasibility of a renewable energy-based system for electrifying and using the excess power for water pumping. Furthermore, this research is aimed at showing how much the user`s tolerance in terms of LPSP or WSP can lower system size and consequently its CAPEX. A multi-objective optimization is conducted by using NSGA-II method to find a Pareto front that satisfies users with various tolerances, and economic objectives. It is worth noting that this study does not disregard the fact that in real-world projects, a conventional system like a diesel generator should be included in the design to account for renewable energy's intermittent nature or maintenance issues. However, this study aims to increase renewable energy penetration for remote communities with limited access to grid electricity.

Titre traduit

Conception et optimisation de systèmes d'électrification et de pompage d'eau basés sur les énergies renouvelables

Résumé traduit

Dans cette recherche, la conception et l'optimisation d'un système basé sur les énergies renouvelables pour une double application, à savoir l'électrification et le pompage de l'eau, sont étudiées. L'énergie produite par le système renouvelable est d'abord utilisée pour l'électrification, tandis que l'excédent d'énergie est utilisé pour le pompage d'eau à diverses fins, comme l'approvisionnement en eau d'une petite communauté ou l'irrigation. Deux concepts, la probabilité de perte d'alimentation électrique (LPSP) et la probabilité de pénurie d'eau (WSP), sont utilisés pour évaluer la fiabilité du système. Par ailleurs, pour évaluer la faisabilité de l'étude, divers paramètres économiques, tels que la période de retour sur investissement, les dépenses en capital (CAPEX) et le coût actualisé de l'énergie, sont pris en compte. Deux types de systèmes énergétiques sont considérés dans cette recherche : un système photovoltaïque (PV) avec stockage par batterie (BESS) et un système combinant PV, éolienne (WT) et BESS. Le premier système énergétique (PV-BESS) est supposé être utilisé pour une petite maison avec une consommation énergétique constante tout au long de l'année, où l'excédent d'énergie est affecté à l'irrigation d'une ferme située dans le sud de l'Iran, une région dotée d'un fort potentiel solaire. Le second système énergétique (PV-WT-BESS) est évalué pour une petite communauté au Québec, où la consommation d'électricité varie au cours de l'année (nettement plus élevée en hiver). Dans ce cas, l'excédent d'énergie des éoliennes et des panneaux photovoltaïques est utilisé pour approvisionner la communauté en eau. Un algorithme personnalisé pour les calculs numériques et une stratégie de répartition énergétique sont employés. En résumé, dans cette stratégie, la priorité est donnée à la production d'électricité, suivie de la charge des batteries. Une fois ces conditions remplies, l'excédent d'énergie est employé pour le pompage de l'eau. L'objectif principal de cette étude est de démontrer la faisabilité d'un système basé sur les énergies renouvelables pour l'électrification et l'utilisation de l'excédent d'énergie pour le pompage de l'eau. De plus, cette recherche vise à montrer dans quelle mesure la tolérance de l'utilisateur, en termes de LPSP ou de WSP, peut réduire la taille du système et, par conséquent, son CAPEX. Une optimisation multi-objectifs est réalisée en utilisant la méthode NSGA-II afin de trouver un front de Pareto qui satisfait les utilisateurs ayant diverses tolérances ainsi que des objectifs économiques. Il convient de noter que cette étude prend en compte le fait que, dans des projets réels, un système conventionnel tel qu'un générateur diesel doit être intégré à la conception pour pallier l'intermittence des énergies renouvelables ou les problèmes de maintenance. Cependant, cette étude vise à augmenter la pénétration des énergies renouvelables dans les communautés éloignées ayant un accès limité ou inexistant à l'électricité du réseau.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-166).
Mots-clés libres:	système photovoltaïque, énergies renouvelables, électrification, pompage d’eau, la probabilité de pénurie d'eau, la probabilité de perte d'alimentation électrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 19:12
Dernière modification:	23 sept. 2025 19:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3711

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