L'architecture des systèmes de stockage d'énergie par batterie

Avant de plonger dans l'architecture et les types de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), il est essentiel de se familiariser avec la terminologie clé couramment utilisée dans ce domaine. Divers paramètres sont cruciaux pour décrire le comportement et les performances du BESS.

· Capacité [Ah] : Cela représente la quantité de charge électrique que le système peut fournir à une charge connectée tout en maintenant un niveau de tension acceptable. La capacité est influencée par la technologie de la batterie et est généralement définie à des températures et des courants de décharge spécifiques.

· Énergie nominale [Wh] : Il s'agit de l'énergie totale qu'une batterie peut fournir depuis un état complètement chargé jusqu'à une décharge complète. Elle est calculée en multipliant la capacité par la tension de la batterie. Puisqu'il dépend de la capacité, il est également affecté par la température et le courant.

· Puissance [W] : Définir la puissance de sortie d'un BESS est complexe car elle dépend de la charge connectée. Cependant, la puissance nominale indique la sortie dans des conditions de décharge typiques.

· Énergie spécifique [Wh/kg]: Ce paramètre décrit l'énergie qu'une batterie peut stocker par rapport à sa masse.

· Taux C : Ceci indique le taux de charge et de décharge par rapport à la capacité maximale de la batterie. À 1 °C, la batterie se décharge complètement en une heure.

· Cycle : Une séquence complète de charge-décharge-charge. Il n’existe pas de norme universelle définissant ce qui constitue un cycle.

· Durée de vie du cycle : nombre de cycles qu'une batterie peut effectuer avant que ses performances ne se dégradent de manière significative.

· Profondeur de décharge (DoD) : représente le pourcentage de batterie déchargée. Un DoD à 100 % indique une décharge complète.

· État de charge (SoC, %) : indique le niveau de charge actuel d'une batterie.

· Efficacité coulombienne : Cela reflète l'efficacité du transfert de charge au sein de la batterie. C'est le rapport entre la charge (Ah) déchargée et la charge nécessaire pour revenir à l'état initial. La plupart des batteries, à l'exception des batteries au plomb, présentent une efficacité coulombienne presque parfaite.

Principaux types de systèmes électrochimiques Systèmes de stockage d'énergie

Diverses technologies de batteries reposent sur différents éléments et réactions chimiques. Aujourd'hui, les batteries au plomb et au lithium-ion sont les plus courantes, bien que les batteries à base de nickel, de soufre et à circulation aient également joué un rôle important dans l'industrie. Vous trouverez ci-dessous un bref aperçu des principaux avantages des technologies de batteries couramment utilisées.

Batteries au plomb

Ceux-ci sont largement utilisés dans les applications quotidiennes. Ils se composent d'une électrode de plomb négative, d'une électrode positive de dioxyde de plomb et d'une solution électrolytique d'acide sulfurique.

Avantages : Faible coût et maturité technologique.

Inconvénients : Voir le tableau 1 pour plus de détails.

Piles nickel-cadmium (Ni-Cd)

Ces batteries ont dominé les systèmes portables pendant des années avant l'émergence de la technologie lithium-ion. Ils offrent de fortes performances de puissance et une recharge rapide.

Avantages et inconvénients : reportez-vous au tableau 2.

Les batteries nickel-hydrure métallique (NiMH), une évolution du Ni-Cd, fournissent une énergie spécifique environ 40 % plus élevée.

Batteries au lithium-ion (Li-Ion)

Les batteries lithium-ion, avec du lithium métal comme anode, fournissent une énergie spécifique exceptionnelle. Cependant, ils sont confrontés à des problèmes tels que la formation de dendrites sur l'anode, qui peuvent provoquer des courts-circuits et une surchauffe.

Avantages et inconvénients : reportez-vous au tableau 3.

Composition d'un BESS

Un BESS se compose de plusieurs composants interconnectés, chacun avec des rôles et des exigences de contrôle spécifiques. Vous trouverez ci-dessous un résumé de ces principaux composants :

1. Système de batterie : composé de plusieurs blocs-batteries, interconnectés pour atteindre les niveaux de tension et de courant souhaités.

2. Système de gestion de batterie (BMS) : garantit un fonctionnement sûr en maintenant les niveaux de tension, de courant et de température dans les limites. Il équilibre également l’état de charge des cellules.

3. Système de conversion d'alimentation (PCS) : convertit l'alimentation CC de la batterie en CA pour une utilisation externe. Les unités PCS incluent souvent des services de surveillance et auxiliaires pour un fonctionnement optimal.

4. Système de gestion de l'énergie (EMS): Surveille et gère le flux d’énergie en fonction des exigences de l’application. EMS s'intègre généralement à un système SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) pour la surveillance et le contrôle global du système.

5. Transformateurs : selon la taille du système, des transformateurs moyenne tension/basse tension ou haute tension/moyenne tension sont utilisés pour le raccordement au réseau.

Intégration de modules photovoltaïques avec BESS

À mesure que les énergies renouvelables font partie intégrante des futurs systèmes électriques, l'intégration d'un BESS avec des sources renouvelables, telles que des modules photovoltaïques, améliore à la fois le système énergétique et la centrale électrique.

Avantages de l'intégration PV et BESS :

· Atténuation de la volatilité de la production : Un BESS adoucit les fluctuations de la production d'énergie causées par des nuages ​​ou des pics soudains, créant ainsi une courbe de production plus stable (Figure 4).

· Peak Shaving : réduit la génération de pics, ce qui donne une courbe plus lisse.

· Support réseau : fournit des services auxiliaires tels que le contrôle de tension, la régulation de fréquence et la compensation de puissance réactive, permettant une meilleure intégration au réseau.

Options de couplage pour les modules PV et BESS :

1. Couplage DC : Le PV et le BESS sont connectés du côté DC, partageant les onduleurs et les composants AC. Courant dans les installations résidentielles et à petite échelle, mais nécessite une logique de contrôle avancée pour la tension continue et la gestion de la batterie.

2. Couplage CA après l'onduleur : PV et BESS disposent chacun d'onduleurs dédiés, ce qui les rend adaptés aux installations résidentielles et à grande échelle. Cette approche évite la complexité du couplage DC.

3. Couplage CA au point de connexion (POC) : les systèmes PV et BESS partagent uniquement l'installation d'interconnexion, avec des sections indépendantes pour chaque système.