Avant de discuter de l’architecture du système de stockage d’énergie par batterie (BESS) et des types de batteries, nous devons d’abord nous concentrer sur la terminologie la plus couramment utilisée dans ce domaine. Plusieurs paramètres importants décrivent le comportement des systèmes de stockage d’énergie par batterie.
Capacité [Ah]: La charge électrique maximale que le système est capable de fournir à la charge connectée à une tension raisonnable. La technologie de la batterie a un impact significatif sur ce paramètre, dont la valeur est fixée pour un courant de décharge et une température particuliers.
Énergie nominale [Wh] :Il s’agit de l’énergie totale produite entre les états de pleine charge et de pleine décharge. Cela équivaut à la tension de la batterie multipliée par la capacité. La température et le courant ont également un impact, puisque la capacité le détermine.
Puissance [W] :Définir la puissance de sortie d'un BESS est difficile car elle dépend de la charge connectée. Néanmoins, la puissance nominale représente la puissance dans le scénario de décharge le plus typique.
Énergie spécifique [Wh/kg] :Cela indique la capacité de stockage d’énergie de la batterie par rapport à la masse.
L'échelle utilisée pour déterminer les durées de charge et de décharge est appeléeCaisse. Le courant de décharge videra complètement la batterie en une heure à 1 °C.
Charge/décharge/charge est lefaire du vélo. Il n’existe pas de définition convenue de ce qu’est un cycle.
Une batterieCycle de vieest le nombre total de cycles qu’il peut produire.
Ministère de la Défense: Profondeur de décharge. La décharge complète est de 100 % ;
État de charge (SoC,%) :Le niveau de charge d'une batterie est indiqué par ce numéro.
Le terme "efficacité coulombienne" fait référence à la capacité de la batterie à transmettre efficacement la charge. Il s'agit de la proportion de charge nécessaire pour revenir à l'état de charge d'origine par rapport à la quantité de charge (Ah) libérée pendant la phase de décharge. À l'exception de la technologie au plomb, la plupart des batteries ordinaires les batteries ont une efficacité comparable à celle-ci.
Les principaux types de systèmes de stockage d’énergie électrochimique
Il existe de nombreux systèmes de batteries, chacun basé sur une combinaison unique de composants et de processus chimiques. Les batteries au plomb et au Li-ion sont actuellement les types les plus utilisés, mais les batteries à flux, au nickel et au soufre ont également leur place sur ce marché. Nous passerons rapidement en revue les principaux avantages des technologies de batteries les plus populaires.
Nous utilisons ces batteries régulièrement. La cellule de base de cette batterie est composée d'une électrode positive en bioxyde ou en plomb et d'une électrode en plomb négative. L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique dans l'eau.
Les principaux avantages de ces batteries sont leur prix abordable et leur état technologique avancé.
Piles nickel-cadmium (Ni-Cd)
Avant que la technologie des batteries au lithium ne soit largement utilisée, ce type de batterie a servi pendant plusieurs années de principale source d’alimentation pour les appareils portables.
Ces batteries offrent une puissance élevée et un temps de recharge rapide.
Une amélioration par rapport à ces batteries est représentée par la technologie Nickel-métal-hydrure (NiMH), qui peut fournir une énergie spécifique environ 40 % plus élevée que le NiCd standard.
Batteries lithium-ion (Li-Ion)
De tous les métaux, le lithium possède l’énergie spécifique la plus élevée et est le plus léger. Les batteries rechargeables à anode métallique au lithium ont la capacité de fournir des densités d’énergie incroyablement élevées.
Il existe également d'autres restrictions. Par exemple, le développement de dendrites sur l'anode lors du cyclage est une restriction pertinente. Cela pourrait entraîner une panne de courant, ce qui pourrait augmenter la température et endommager la batterie.
La composition d'un BESS
Différents « niveaux », à la fois logiques et physiques, constituent un BESS. Chaque pièce physique unique nécessite son propre système de contrôle.
Voici un aperçu de ces étapes clés :
Le système de batterie est composé de différents packs de batteries et de nombreuses batteries connectées les unes aux autres afin d'atteindre les niveaux de tension et de courant souhaités.
Le système de gestion de batterie régule le fonctionnement approprié de chaque cellule pour permettre au système de fonctionner dans une plage de tension, de courant et de température sans danger pour l'excellente santé des batteries plutôt que pour le système dans son ensemble. De plus, l'état de charge de chaque cellule est ajusté et équilibré de cette manière.
Pour convertir l’énergie en courant alternatif, les onduleurs sont connectés au système de batterie. Un niveau électronique de puissance spécialisé connu sous le nom de PCS (système de conversion de puissance) est présent dans chaque BESS. Il est généralement regroupé dans une unité de conversion avec tous les services auxiliaires nécessaires à un suivi approprié.
Le système et la surveillance et le contrôle du flux d'énergie (système de gestion de l'énergie) sont les étapes suivantes. Le système de contrôle de supervision et d'acquisition de données, ou système SCADA, comprend souvent des fonctions générales de surveillance et de contrôle. D'autre part, le système de gestion de l'énergie est spécifiquement conçu pour surveiller le flux d'énergie conformément aux exigences de l'application.
La connexion du transformateur moyenne tension/basse tension et, en fonction de la taille du système, le transformateur haute tension/moyenne tension d'une sous-station dédiée sont les dernières connexions.
Module PV et intégration BESS
Les sources d'énergie renouvelables sont sur le point d'avoir un impact significatif sur les systèmes électriques à l'avenir, comme indiqué dans le premier article de cette série. Le système électrique et la centrale électrique renouvelable peuvent bénéficier de l’intégration d’un BESS avec une source d’énergie renouvelable.
Ce qui suit explique les différentes manières dont un BESS pourrait aider une centrale électrique :
Afin d'obtenir une courbe de production plus stable et plus prévisible, cela compenserait la « volatilité » du profil de production en cas de couverture nuageuse ou de brusques pics de puissance. Le contraste entre la courbe de production d'une installation photovoltaïque par temps nuageux et celle par temps clair est illustré à la figure 4. La génération présenterait moins de « scintillement » avec l'intégration d'un BESS, ce qui donnerait une courbe plus régulière.
La courbe de génération sera « lissée » suite à l’écrêtement des pics (pour en savoir plus sur l’écrêtage des pics, lisez l’article précédent).
En ce qui concerne le support du réseau et les services auxiliaires, le BESS peut jouer un rôle important dans l'intégration de la centrale électrique dans le réseau électrique en offrant une régulation de fréquence et une gestion de tension (ainsi qu'une compensation de puissance réactive) avec un impact nettement moindre sur le système électrique.
Outre les services susmentionnés, il existe d'autres collaborations potentielles entre les modules photovoltaïques et les systèmes de stockage d'énergie par batterie, à commencer par l'échange de point de connexion (POC). Puisqu'un BESS est fréquemment installé pour « compléter » le module PV, sa présence ne pourrait pas nécessiter une puissance supplémentaire au POC.
D'autres collaborations potentielles découlent des décisions prises dans l'architecture de la manière dont les modules photovoltaïques se connectent à un BESS. Il existe au moins trois options principales :
Couplage CC: Dans cette option, un convertisseur DC/DC particulier est utilisé pour relier le BESS et le PV du côté DC des batteries et des modules PV afin de stabiliser la tension. Avec cette méthode, tout le côté AC de l'installation partagera les onduleurs entre le module PV et le BESS (l'onduleur dans ce scénario pourra fonctionner dans les 4 quadrants du diagramme PQ). Ce choix est assez courant pour le secteur résidentiel. applications, ou dans le cas d’une petite installation (kW). Dans le cas d’une usine à grande échelle, le BESS sera réparti le long du champ. Cela nécessitera cependant une logique spécifique et coûteuse pour contrôler la tension continue et la charge de chaque batterie.
Couplage CA après l'onduleur: Cette méthode est comparable à la précédente, mais elle place le point de couplage du BESS et du module PV après les onduleurs. Dans ce cas, le BESS et le module PV auront chacun leur propre onduleur dédié. Comme aucune logique de contrôle supplémentaire n'est nécessaire pour le couplage CC, cette méthode est également populaire pour les applications résidentielles et pourrait être utilisée dans de grandes installations pour créer un BESS distribué.
Couplage AC au POC :Dans cette solution, le module PV et le BESS partagent uniquement l'installation d'interconnexion, alors qu'ils ont des sections complètement séparées au niveau de l'installation.