Maîtriser les BESS en comprenant les composants des systèmes de stockage d'énergie par batterie

composants du système de stockage d'énergie par batterie

Introduction

L'environnement énergétique actuel évolue rapidement dans le monde entier, ce qui s'explique par la nécessité de rendre les solutions énergétiques plus durables et plus résistantes pour faire face au changement climatique. Le cœur de cette révolution est le système de stockage d'énergie par batterie (BESS), qui s'impose rapidement comme une technologie de premier plan capable d'intégrer des sources d'énergie renouvelables intermittentes, de stabiliser et de déstabiliser les réseaux, et de produire une énergie stable au bon endroit et au bon moment.

La transition énergétique est déjà en cours, et dans notre évolution vers un paysage énergétique qui utilisera de plus en plus d'énergie propre, la contribution du stockage en batterie et la durée pendant laquelle il peut stocker l'énergie pour une utilisation ultérieure sont cruciales. L'énergie renouvelable peut désormais être stockée en vue d'une utilisation ultérieure sans brûler de combustibles fossiles, ce qui permet de réduire les émissions de carbone et de contribuer à une alimentation électrique régulière à tout moment de la journée. Le fonctionnement complexe et l'importance d'un BESS ne sont plus l'apanage des ingénieurs, mais des connaissances nécessaires qui intéressent tous les investisseurs, les décideurs politiques et les futurs passionnés de l'industrie de l'énergie.

L'article suivant fournira une analyse détaillée de la composition des BESS jusqu'à ses éléments vitaux et mettra en lumière l'importance de ces derniers. Nous examinerons également un sujet trop souvent ignoré, mais en réalité crucial : la gestion thermique et la manière dont la sélection thermique joue un rôle essentiel dans l'amélioration des performances des BESS et leur permet d'atteindre une durée de vie plus longue.

Le cœur du stockage de l'énergie : Qu'est-ce qu'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) ?

Le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) désigne un système complexe et intégré destiné à stocker l'énergie produite par un certain nombre de sources, puis à libérer l'énergie économisée en cas de besoin. Il intervient principalement dans la chaîne de production et de demande d'énergie pour apporter flexibilité et fiabilité aux réseaux électriques et aux consommateurs individuels.

Imaginez une gigantesque batterie rechargeable, mais beaucoup plus perfectionnée, capable de traiter d'énormes quantités d'énergie et même de communiquer avec le réseau de manière intelligente. Les applications des BESS sont de plus en plus variées, comme en témoignent des scénarios tels que l'alimentation de secours en cas de panne, le stockage de l'énergie solaire ou éolienne excédentaire en vue d'une utilisation ultérieure, ou la réduction du coût de l'énergie par l'écrêtement des pointes. Le développement de l'énergie solaire photovoltaïque va de pair avec le développement de la technologie BESS, qui a transformé la gestion de l'énergie solaire et la disponibilité de l'énergie même en l'absence de soleil.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Au niveau de base, un BESS fonctionne en permettant de convertir l'énergie électrique en énergie chimique et de la stocker, et à un moment ultérieur, l'énergie électrique peut être reconvertie en énergie électrique, lorsqu'elle est nécessaire.

En cas d'excédent d'électricité, par exemple lors des pics de production du système solaire ou lorsque les énergies renouvelables produisent de l'électricité en excès, le BESS est chargé et le courant alternatif (du réseau ou des énergies renouvelables) est converti en courant continu pour stocker l'énergie dans cette batterie. En revanche, le système se décharge lorsque la demande d'électricité est élevée ou lorsque la production d'énergie renouvelable est faible.

Lors de la décharge, l'énergie stockée (courant continu) est convertie en courant alternatif et injectée dans le réseau ou acheminée vers les charges. Toute cette oscillation entre la charge et la décharge est contrôlée par des systèmes de commande complexes afin d'assurer un flux d'énergie optimal et la stabilité du système. De cette manière, les BESS contribuent au système énergétique moderne et à la transition vers un système énergétique plus durable.

Composants essentiels du système de stockage d'énergie par batterie

Pour maîtriser correctement un système de stockage d'énergie (SSE), il est souhaitable de comprendre la relation d'interdépendance entre ses principaux composants. Tous les éléments sont essentiels pour définir l'étendue de l'efficacité, de la sécurité et de la durée de vie du système. La défaillance ou l'inefficacité d'un composant peut se répercuter en cascade et finir par affecter les performances de l'ensemble du système, y compris la capacité énergétique et la fiabilité de la production d'énergie du système.

Modules et cellules de batterie

La partie la plus connue d'un BESS est sans doute les modules et les cellules de la batterie, qui représentent la base du stockage de l'énergie. Les cellules de batterie sont ensuite emballées dans des modules, et les modules sont réunis dans des racks ou des conteneurs. La technologie de la composition des cellules peut varier considérablement, et une cellule de batterie courante que l'on trouve dans les BESS actuels est une cellule lithium-ion en raison de sa densité énergétique élevée et de sa durée de vie.

La chimie de la batterie a également un impact très important sur les caractéristiques de performance du système, telles que le flux d'énergie, l'état de charge, la puissance de sortie, la durée de vie et les caractéristiques thermiques. Autre exemple, les batteries au phosphate de fer lithié (LFP) sont de plus en plus populaires pour les applications BESS, car elles présentent de meilleurs résultats en matière de sécurité, des durées de vie plus longues et des tolérances en matière d'apparence visuelle que les autres variétés de batteries lithium-ion, bien que la densité énergétique soit parfois réduite.

Système de gestion de la batterie (BMS)

Également appelé le cerveau de la batterie, le système de gestion de la batterie (BMS) est un système électronique essentiel qui joue un rôle de sentinelle parmi les cellules de la batterie. Les principaux rôles de ce produit consistent à analyser des paramètres importants tels que la tension de la cellule, le courant et la température du module.

Au-delà de la surveillance, le BMS équilibre également les charges de chaque cellule, interdisant les états de surcharge ou de surdécharge qui peuvent réduire considérablement la durée de vie de la batterie ou avoir des répercussions sur la sécurité, telles que l'emballement thermique. Un BMS qui fonctionne bien est un composant obligatoire pour maximiser la durée de vie de la batterie, fonctionner en toute sécurité et fournir des informations précises sur l'état de charge (SoC) et l'état de santé (SoH) de la batterie.

Il suit également le nombre de cycles de charge/décharge effectués en raison des informations précieuses relatives aux performances et à l'utilisation de la batterie. Sans un BMS sophistiqué, les performances élevées et la longue durée de vie de nos dernières technologies de batteries n'auraient pas été possibles.

Système de conversion de puissance (PCS) / Onduleur bidirectionnel

Lorsque la batterie est connectée au réseau externe ou à la charge, elle constitue l'interface, et cette interface est le système de conversion de l'énergie (PCS), qui est souvent utilisé comme un système bidirectionnel de conversion de l'énergie. onduleur. Le PCS utilise le courant alternatif entrant (fourni par le réseau ou les énergies renouvelables, par exemple un système photovoltaïque) et le convertit en courant continu pour que les batteries puissent l'utiliser.

D'autre part, lorsqu'il est temps de décharger, il convertit le courant continu des batteries en courant alternatif et synchronise sa fréquence avec celle du réseau et la tension à un moment donné. La taille et la construction du PCS déterminent directement l'efficacité globale de l'aller-retour du BESS, et les systèmes modernes peuvent avoir des efficacités supérieures à 97-98%. Le PCS a également pour tâche de contrôler le flux d'énergie, le contrôle de la tension et la fonctionnalité des services du réseau, ce qui en fait un élément extrêmement complexe et essentiel. Avec l'évolution constante des systèmes de stockage de l'énergie, il sera important de veiller à ce que leurs coûts aient des répercussions minimales sur les factures d'électricité, car ils optimisent l'utilisation de l'énergie fournie.

Système de gestion de l'énergie (EMS)

Le cerveau le plus important est le système de gestion de l'énergie (EMS) qui optimise l'activité de l'ensemble du BESS. Bien que le BMS soit chargé de la durée de vie intranationale (interne) de la batterie et que le PCS soit chargé de la conversion de l'énergie, l'EMS détermine le moment et le mode de charge et de décharge du BESS. Il utilise des données en temps réel, telles que le prix de l'électricité, la stabilité du réseau, la demande du réseau, les prévisions d'énergie renouvelable et les profils de charge de l'usine pour prendre des décisions intelligentes.

Avec un BESS à l'échelle de l'entreprise, l'EMS est en mesure d'offrir des services tels que la régulation de la fréquence, l'écrêtement des pointes et le déplacement de la charge. Il fournit également des services auxiliaires, qui maintiennent la stabilité du réseau électrique en équilibrant l'offre et la demande. Dans le cas des applications commerciales et industrielles, le SGE peut optimiser l'autoconsommation de l'énergie solaire ou participer à des programmes de réponse à la demande. En cas de panne de courant, le SGE est capable d'alimenter le système de batteries, ce qui garantit la disponibilité de l'électricité. Un EMS sophistiqué améliore aussi considérablement la rentabilité et la flexibilité d'un BESS, ce qui lui confère une valeur ajoutée indéniable.

Systèmes d'enceinte et de sécurité

La protection de l'ensemble du BESS, ainsi que la sécurité des personnes et des biens, doit être de la plus haute importance en ce qui concerne l'enceinte et les systèmes de sécurité. La sécurité physique contre les facteurs environnementaux (par exemple, les températures extrêmes, l'humidité, la poussière) est assurée par l'enceinte, qui contient également tous les composants internes, tels que le rack de batteries, où les modules sont conservés.

Au-delà du confinement physique, les systèmes de sécurité intégrés s'efforcent de détecter et de contrer les dangers probables. Il s'agit de systèmes d'extinction des incendies de haute technologie tels que les aérosols, les agents propres, les brouillards d'eau ou les détecteurs de fumée, les capteurs de température, les systèmes de ventilation, etc.

Compte tenu de la possibilité d'incidents thermiques dans les grandes installations de batteries, ce n'est pas seulement un mandat réglementaire, mais une nécessité technique que l'installation soit poursuivie jusqu'à un niveau d'évaluation sûr, tel qu'établi dans des normes telles que UL 9540 (norme pour les systèmes et équipements de stockage d'énergie). Ces systèmes protègent le bénéficiaire final contre tout événement inattendu, d'où leur importance non négociable dans le domaine de l'énergie de confiance et de la stabilité du réseau.

Systèmes auxiliaires et interconnexions

En plus des éléments clés, un BESS dispose d'un système de systèmes auxiliaires et de connexions sur lesquels il fonctionne. Il s'agit notamment de

Transformers : Pour augmenter (step-up) ou diminuer (step-down) la tension pour se connecter au réseau électrique.
Appareils de commutation et disjoncteurs : Protéger, isoler et contrôler le flux d'énergie dans le système.
Câblage et barres omnibus : Effectuer des connexions électriques sûres et efficaces dans l'ensemble du système.
Réseaux de communication : Il s'agit des liens de communication par lesquels les données des BMS, PCS, EMS et des centres de télésurveillance peuvent être échangées (généralement à l'aide de systèmes SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition - de contrôle et d'acquisition de données).
CVC (chauffage, ventilation et climatisation) : Très important pour permettre à tous les composants électroniques sensibles et aux batteries de fonctionner à des températures optimales.

Tous ces éléments semblent être de petits détails, mais structurellement, ils sont essentiels pour assurer le bon fonctionnement, la sécurité et la durabilité de l'ensemble du BESS et font partie de la capacité de puissance et de la production globale.

Systèmes de gestion thermique pour BESS

Bien que les systèmes de gestion thermique des BESS, rarement abordés, puissent être ajoutés à l'ensemble des systèmes classés comme auxiliaires, il est nécessaire d'aborder ce sujet plus en détail car cet aspect a l'une des plus grandes influences sur les performances de ces systèmes, leur durabilité et leur sécurité. Les batteries, en particulier les batteries lithium-ion, sont sujettes aux changements de température. Le dépassement des températures de fonctionnement recommandées (de 15 °C à 35 °C pour la majorité des batteries Li-ion) peut entraîner de graves problèmes.

Une température excessive accélère la dégradation, réduit la durée du cycle et provoque un emballement thermique.

Un niveau de température trop bas peut réduire la capacité disponible, augmenter la résistance interne et affecter négativement les taux de charge, ce qui peut nuire à la capacité de répondre à la demande d'énergie pendant les périodes critiques.

Une gestion thermique intelligente consiste à maintenir trois éléments, dont les plus importants sont les modules de batterie et l'électronique de puissance, dans la plage de fonctionnement souhaitée en termes de température. C'est très important au moment où la puissance est nécessaire et où le système doit fonctionner à sa capacité maximale. Les stratégies de gestion thermique typiques utilisées dans les BESS sont les suivantes :

qu'est-ce qu'un système de stockage d'énergie par batterie (bess) ?

Climatisation/chauffage : Déplacement d'un ventilateur au-dessus de l'air ambiant ou de l'air conditionné afin de refroidir ou de chauffer les composants. Il s'agit d'un moyen rentable de régulation intermédiaire de la température, qui pourrait être utilisé pour réduire les coûts d'exploitation lorsque la demande d'énergie est relativement faible.
Liquide Refroidissement/chauffage : L'utilisation d'un liquide de refroidissement (mélange glycol-eau) qui circule à travers des plaques ou des canaux froids afin de maintenir un contact direct avec les cellules ou les modules de la batterie. Cela permet également un contrôle plus étroit et plus efficace de la température, en particulier dans les systèmes à haute densité de puissance, ce qui permet de dissiper efficacement l'énergie indésirable accumulée lors d'une décharge à haute puissance.
Matériaux à changement de phase (PCM) : Matériaux capables d'absorber/libérer de grandes quantités de chaleur latente associée à un changement de phase (par exemple, de solide à liquide), et qui pourraient être utilisés dans un système passif de stabilisation/régulation de la température pour maintenir le système stable en cas de consommation d'énergie variable sur une longue période.
Réfrigération/Chillers : Employé avec l'utilisation du refroidissement liquide pour obtenir un refroidissement plus agressif des environnements chauds ou des applications à haute puissance. Il s'agit d'une bonne stratégie, en particulier lorsqu'il s'agit de stocker de l'énergie thermique qui sera utilisée ultérieurement, et que l'on veille à ce que l'énergie stockée ne soit pas gaspillée dans des conditions extrêmes.

La stratégie de gestion thermique sera choisie en fonction de la taille du BESS, de l'application, du climat ambiant et des caractéristiques de performance souhaitées.

Importance d'un refroidissement efficace pour la performance et la longévité des BESS

La gestion thermique d'un BESS a un lien irrévocable avec l'efficacité et la durée de vie du BESS, en particulier la redondance et l'efficacité des mesures de refroidissement. Un mauvais refroidissement n'entraîne pas seulement de nombreux désagréments, mais aussi une dégradation prématurée du système, des inefficacités dans le fonctionnement et une augmentation des risques pour la sécurité. Une gestion efficace de la température permettra de réduire le coût de l'électricité sur une longue période, d'assurer un flux d'énergie efficace et d'optimiser pleinement la capacité de production d'énergie.

Pensez simplement à ce qui suit : chaque fois que la température dépasse de 10 °C la plage optimale, la durée de vie d'une batterie lithium-ion peut être réduite de 50 %. Cette décroissance super-linéaire se traduit directement par une énorme perte d'argent pour les opérations de BESS en raison de la réduction de la durée de vie de leurs actifs et de la montée en flèche des coûts de leur remplacement. En outre, un fonctionnement à des températures élevées diminue l'efficacité énergétique de la batterie, c'est-à-dire qu'elle est moins efficace sur le plan énergétique, en dissipant une plus grande partie sous forme de chaleur pendant les processus de charge et de décharge, ce qui diminue l'efficacité globale de l'aller-retour du système et augmente ses coûts opérationnels. Une mauvaise gestion thermique peut provoquer des points chauds locaux dans les scénarios les plus défavorables, ce qui accélère la dégradation des cellules et entraîne un risque d'emballement thermique, une réaction en chaîne qui peut déboucher sur un incendie.

Grâce à une gestion thermique optimale, les systèmes BESS sont mieux adaptés à la gestion des coûts de l'électricité pendant les pics de demande, ce qui permet de stocker l'énergie excédentaire et de l'utiliser ultérieurement, réduisant ainsi les coûts opérationnels globaux au fil du temps et augmentant la fiabilité du réseau pendant les périodes de charge énergétique soutenue.

Aspect	Impact d'un refroidissement inadéquat	Avantages d'un refroidissement efficace
Durée de vie de la batterie	Réduit jusqu'à 50% pour chaque augmentation de 10°C au-dessus de la température optimale.	Prolonge la durée de vie de la batterie, maximisant ainsi le retour sur investissement.
Efficacité du système	Augmentation de la perte d'énergie, diminution de l'efficacité de l'aller-retour.	Optimise le transfert d'énergie et réduit les coûts d'exploitation.
Risques pour la sécurité	Risque accru d'emballement thermique et d'incendie.	Atténue les risques pour la sécurité et garantit un fonctionnement sûr.
Rendement	Diminution de la capacité et de la puissance, en particulier dans les climats chauds.	Maintient la capacité et la puissance nominales.
Coûts de maintenance	Remplacement plus fréquent des composants en raison de la surchauffe.	Réduit la fréquence et les coûts de maintenance.

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Qu'est-ce qu'un système de stockage d'énergie par batterie ?

Conclusion

L'adoption d'un système de stockage d'énergie par batterie ne se limite pas à l'achat de batteries. Il faut une base de connaissances intégrée de ses parties complexes, telles que les modules de stockage d'énergie de la batterie, le BMS de protection, le PCS de conversion d'énergie, l'EMS d'optimisation, les systèmes de sécurité et le boîtier de détection. Tous ces éléments sont des rouages essentiels d'un mécanisme complexe visant à transformer notre avenir énergétique. L'énergie solaire et les autres sources d'énergie renouvelables devenant de plus en plus importantes, les systèmes de stockage par batterie sont essentiels à la gestion de l'approvisionnement en énergie et à la transition du secteur de l'énergie fossile à celui de l'énergie fossile.

Néanmoins, la gestion thermique peut être considérée comme un élément essentiel de la durabilité opérationnelle et à long terme d'un BESS. Le refroidissement intelligent et proactif, avec ses ventilateurs à haute performance, ne peut pas être considéré comme une caractéristique agréable, mais plutôt comme une exigence non négociable pour assurer la longévité des batteries, l'efficacité et une grande attention à la sécurité du système.

Investir dans des systèmes de refroidissement de haute qualité signifie que les développeurs et les opérateurs de BESS peuvent non seulement protéger leurs intérêts, mais aussi optimiser leur investissement et être en mesure de sécuriser leur investissement en toute confiance et de contribuer activement à un meilleur système énergétique avec plus de résilience et de durabilité, en jouant un rôle important dans la transition énergétique actuelle.