Concevoir des systèmes de stockage d'énergie robustes : Un guide mondial

Les systèmes de stockage d'énergie (SSE) deviennent de plus en plus essentiels dans le paysage énergétique mondial. Ils permettent l'intégration des sources d'énergie renouvelables, améliorent la stabilité du réseau, réduisent les coûts énergétiques et fournissent une alimentation de secours en cas de pannes. Ce guide complet explore les considérations clés pour la conception de SSE robustes et efficaces pour diverses applications dans le monde entier.

1. Comprendre les fondamentaux des systèmes de stockage d'énergie

Un SSE est un système qui capture l'énergie produite à un moment donné pour une utilisation ultérieure. Il englobe diverses technologies, chacune ayant ses propres caractéristiques et étant adaptée à différentes applications. Les composants fondamentaux d'un SSE incluent généralement :

Technologie de stockage d'énergie : Le composant principal responsable du stockage de l'énergie, comme les batteries, les volants d'inertie ou le stockage d'énergie par air comprimé (CAES).
Système de conversion de puissance (SCP) : Convertit le courant continu (CC) de la technologie de stockage en courant alternatif (CA) pour la connexion au réseau ou les charges CA, et inversement pour la charge.
Système de gestion de l'énergie (SGE) : Un système de contrôle qui surveille et gère le flux d'énergie au sein du SSE, optimisant les performances et garantissant un fonctionnement sûr.
Équipements auxiliaires (Balance of Plant - BOP) : Inclut tous les autres composants nécessaires au fonctionnement du SSE, tels que les appareillages de commutation, les transformateurs, les systèmes de refroidissement et les équipements de sécurité.

1.1 Technologies courantes de stockage d'énergie

Le choix de la technologie de stockage d'énergie dépend de facteurs tels que la capacité énergétique, la puissance nominale, le temps de réponse, la durée de vie en cycles, l'efficacité, le coût et l'impact environnemental.

Batteries lithium-ion : La technologie la plus largement utilisée en raison de leur haute densité énergétique, de leur temps de réponse rapide et de leur durée de vie en cycles relativement longue. Adaptées à un large éventail d'applications, du résidentiel à l'échelle du réseau. Par exemple, en Australie-Méridionale, la Hornsdale Power Reserve (batterie Tesla) utilise la technologie lithium-ion pour fournir des services de stabilisation du réseau.
Batteries au plomb : Une technologie mature et rentable, mais avec une densité énergétique plus faible et une durée de vie en cycles plus courte par rapport au lithium-ion. Souvent utilisées pour l'alimentation de secours et les alimentations sans interruption (ASI).
Batteries à flux : Offrent une grande modularité et une longue durée de vie en cycles, ce qui les rend adaptées aux applications à l'échelle du réseau nécessitant un stockage de longue durée. Les batteries à flux redox au vanadium (VRFB) sont un type courant. Par exemple, Sumitomo Electric Industries a déployé des systèmes VRFB au Japon et dans d'autres pays.
Batteries sodium-ion : Émergent comme une alternative prometteuse au lithium-ion, offrant potentiellement un coût inférieur et une sécurité accrue. La recherche et le développement sont en cours à l'échelle mondiale.
Volants d'inertie : Stockent l'énergie sous forme d'énergie cinétique dans une masse en rotation. Offrent des temps de réponse très rapides et une haute densité de puissance, ce qui les rend adaptés à la régulation de fréquence et aux applications de qualité de l'énergie.
Stockage d'énergie par air comprimé (CAES) : Stocke l'énergie en comprimant de l'air et en le libérant pour entraîner une turbine lorsque nécessaire. Adapté au stockage à grande échelle et de longue durée.
Stockage par pompage-turbinage (STEP) : La forme la plus mature et la plus largement déployée de stockage d'énergie, utilisant de l'eau pompée entre des réservoirs à différentes altitudes. Adapté au stockage à grande échelle et de longue durée.

2. Définir les exigences et les objectifs du système

Avant de se lancer dans le processus de conception, il est crucial de définir clairement les exigences et les objectifs du système. Cela implique de prendre en compte les facteurs suivants :

Application : Le SSE est-il destiné à des applications résidentielles, commerciales, industrielles ou à l'échelle du réseau ?
Services fournis : Quels services le SSE fournira-t-il, tels que l'écrêtage des pointes, le report de charge, la régulation de fréquence, le soutien de tension, l'alimentation de secours ou l'intégration d'énergies renouvelables ?
Besoins en énergie et en puissance : Quelle quantité d'énergie doit être stockée et quelle est la puissance de sortie requise ?
Durée de décharge : Pendant combien de temps le SSE doit-il fournir de l'énergie à la puissance de sortie requise ?
Durée de vie en cycles : Combien de cycles de charge-décharge sont attendus sur la durée de vie du SSE ?
Conditions environnementales : Quelles sont la température ambiante, l'humidité et les autres conditions environnementales dans lesquelles le SSE fonctionnera ?
Exigences de connexion au réseau : Quelles sont les normes et les exigences d'interconnexion au réseau dans la région spécifique ?
Budget : Quel est le budget disponible pour le projet de SSE ?

2.1 Exemple : SSE résidentiel pour l'autoconsommation solaire

Un SSE résidentiel conçu pour l'autoconsommation solaire vise à maximiser l'utilisation de l'énergie solaire produite localement et à réduire la dépendance au réseau. Les exigences du système pourraient inclure :

Capacité énergétique : Suffisante pour stocker l'excès d'énergie solaire généré pendant la journée pour une utilisation le soir et la nuit. Un système résidentiel typique pourrait avoir une capacité de 5 à 15 kWh.
Puissance nominale : Suffisante pour alimenter les charges essentielles de la maison pendant la demande de pointe. Un système résidentiel typique pourrait avoir une puissance nominale de 3 à 5 kW.
Durée de décharge : Assez longue pour couvrir les heures du soir et de la nuit lorsque la production solaire est faible ou inexistante.
Durée de vie en cycles : Assez élevée pour garantir une longue durée de vie, car le système sera cyclé quotidiennement.

3. Dimensionner le système de stockage d'énergie

Le dimensionnement du SSE est une étape critique qui consiste à déterminer la capacité énergétique et la puissance nominale optimales pour répondre aux exigences définies. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte :

Profil de charge : Le modèle de consommation d'énergie typique de la charge desservie.
Profil de production d'énergie renouvelable : Le modèle de production d'énergie attendu de la source d'énergie renouvelable, comme le solaire ou l'éolien.
Demande de pointe : La demande de puissance maximale de la charge.
Profondeur de décharge (PdD) : Le pourcentage de la capacité de la batterie qui est déchargé à chaque cycle. Une PdD plus élevée peut réduire la durée de vie de la batterie.
Efficacité du système : L'efficacité globale du SSE, y compris la batterie, le SCP et d'autres composants.

3.1 Méthodes de dimensionnement

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour dimensionner le SSE, notamment :

Règle empirique : Utiliser des directives générales basées sur des profils de charge typiques et des modèles de production d'énergie renouvelable.
Modélisation par simulation : Utiliser des outils logiciels pour simuler les performances du SSE dans divers scénarios et optimiser la taille en fonction des exigences spécifiques. Les exemples incluent HOMER Energy, EnergyPLAN et MATLAB.
Algorithmes d'optimisation : Utiliser des algorithmes d'optimisation mathématique pour déterminer la taille optimale qui minimise les coûts ou maximise les avantages.

3.2 Exemple : Dimensionnement d'un SSE commercial pour l'écrêtage des pointes

Un SSE commercial conçu pour l'écrêtage des pointes vise à réduire la demande de pointe d'un bâtiment, réduisant ainsi les coûts d'électricité. Le processus de dimensionnement pourrait impliquer :

Analyser le profil de charge du bâtiment pour identifier la demande de pointe et sa durée.
Déterminer la réduction de la demande de pointe souhaitée.
Calculer la capacité énergétique et la puissance nominale requises en fonction de la réduction de la demande de pointe et de sa durée.
Tenir compte de la PdD et de l'efficacité du système pour s'assurer que la batterie n'est pas sur-déchargée et que le système fonctionne efficacement.

4. Sélectionner la technologie appropriée

La sélection de la technologie de stockage d'énergie appropriée dépend des exigences spécifiques de l'application et des caractéristiques des différentes technologies. Une analyse de compromis doit être effectuée pour évaluer les différentes options en fonction de facteurs tels que :

Performance : Densité énergétique, densité de puissance, temps de réponse, efficacité, durée de vie en cycles et sensibilité à la température.
Coût : Coût d'investissement, coût d'exploitation et coût de maintenance.
Sécurité : Inflammabilité, toxicité et risque d'emballement thermique.
Impact environnemental : Disponibilité des ressources, émissions de fabrication et élimination en fin de vie.
Modularité : Capacité à faire évoluer le système pour répondre aux futurs besoins de stockage d'énergie.
Maturité : Niveau de maturité technologique et disponibilité des produits commerciaux.

4.1 Matrice de comparaison des technologies

Une matrice de comparaison technologique peut être utilisée pour comparer les différentes technologies de stockage d'énergie en fonction des principaux critères de sélection. Cette matrice doit inclure des données quantitatives et qualitatives pour fournir un aperçu complet des avantages et des inconvénients de chaque technologie.

5. Concevoir le système de conversion de puissance (SCP)

Le SCP est un composant critique du SSE qui convertit le courant continu de la technologie de stockage en courant alternatif pour la connexion au réseau ou les charges CA, et inversement pour la charge. La conception du SCP doit prendre en compte les facteurs suivants :

Puissance nominale : Le SCP doit être dimensionné pour correspondre à la puissance nominale de la technologie de stockage d'énergie et de la charge desservie.
Tension et courant : Le SCP doit être compatible avec les caractéristiques de tension et de courant de la technologie de stockage d'énergie et du réseau ou de la charge.
Efficacité : Le SCP doit avoir une efficacité élevée pour minimiser les pertes d'énergie.
Système de contrôle : Le SCP doit disposer d'un système de contrôle sophistiqué capable de réguler la tension, le courant et la fréquence du courant alternatif.
Interconnexion au réseau : Le SCP doit respecter les normes et les exigences d'interconnexion au réseau de la région spécifique.
Protection : Le SCP doit intégrer des fonctions de protection pour protéger le SSE contre les surtensions, les surintensités et autres défauts.

5.1 Topologies de SCP

Plusieurs topologies de SCP sont disponibles, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Les topologies courantes incluent :

Onduleur central : Un seul grand onduleur qui dessert l'ensemble du système de stockage d'énergie.
Onduleur de chaîne : Plusieurs onduleurs plus petits connectés à des chaînes individuelles de modules de batterie.
Onduleur au niveau du module : Des onduleurs intégrés dans chaque module de batterie.

6. Développer le système de gestion de l'énergie (SGE)

Le SGE est le cerveau du SSE, responsable de la surveillance et du contrôle du flux d'énergie au sein du système. La conception du SGE doit prendre en compte les facteurs suivants :

Algorithmes de contrôle : Le SGE doit mettre en œuvre des algorithmes de contrôle capables d'optimiser les performances du SSE en fonction des exigences spécifiques de l'application.
Acquisition de données : Le SGE doit collecter des données à partir de divers capteurs et compteurs pour surveiller les performances du SSE.
Communication : Le SGE doit communiquer avec d'autres systèmes, tels que l'opérateur de réseau ou le système de gestion du bâtiment.
Sécurité : Le SGE doit disposer de fonctions de sécurité robustes pour protéger le SSE contre les cyberattaques.
Surveillance et contrôle à distance : Le SGE doit permettre la surveillance et le contrôle à distance du SSE.

6.1 Fonctions du SGE

Le SGE doit remplir les fonctions suivantes :

Estimation de l'état de charge (EdC) : Estimer avec précision l'EdC de la batterie.
Contrôle de la puissance : Contrôler la puissance de charge et de décharge de la batterie.
Contrôle de la tension et du courant : Réguler la tension et le courant du SCP.
Gestion thermique : Surveiller et contrôler la température de la batterie.
Détection et protection contre les défauts : Détecter les défauts dans le SSE et y répondre.
Enregistrement et rapport de données : Enregistrer les données sur les performances du SSE et générer des rapports.

7. Assurer la sécurité et la conformité

La sécurité est primordiale dans la conception des SSE. La conception du SSE doit être conforme à toutes les normes et réglementations de sécurité applicables, notamment :

CEI 62933 : Systèmes de stockage d'énergie électrique (EES) – Exigences générales.
UL 9540 : Systèmes et équipements de stockage d'énergie.
Codes locaux de prévention des incendies et codes du bâtiment.

7.1 Considérations de sécurité

Les principales considérations de sécurité incluent :

Sécurité des batteries : Sélectionner des batteries dotées de dispositifs de sécurité robustes et mettre en œuvre des systèmes de gestion thermique appropriés pour prévenir l'emballement thermique.
Extinction des incendies : Installer des systèmes d'extinction d'incendie pour atténuer le risque d'incendie.
Ventilation : Fournir une ventilation adéquate pour empêcher l'accumulation de gaz inflammables.
Sécurité électrique : Mettre en œuvre une mise à la terre et une isolation appropriées pour prévenir les chocs électriques.
Arrêt d'urgence : Fournir des procédures et des équipements d'arrêt d'urgence.

7.2 Normes et réglementations mondiales

Différents pays et régions ont leurs propres normes et réglementations pour les SSE. Il est important de connaître ces exigences et de s'assurer que la conception du SSE y est conforme. Par exemple :

Europe : L'Union européenne a des réglementations sur la sécurité des batteries, le recyclage et l'impact environnemental.
Amérique du Nord : Les États-Unis et le Canada ont des normes pour la sécurité des SSE et l'interconnexion au réseau.
Asie : Des pays comme la Chine, le Japon et la Corée du Sud ont leurs propres normes et réglementations pour les SSE.

8. Planifier l'installation et la mise en service

Une planification appropriée de l'installation et de la mise en service est essentielle pour la réussite d'un projet de SSE. Cela inclut :

Sélection du site : Choisir un emplacement approprié pour le SSE, en tenant compte de facteurs tels que l'espace, l'accès et les conditions environnementales.
Obtention des permis : Obtenir tous les permis et approbations nécessaires auprès des autorités locales.
Installation : Suivre les procédures d'installation appropriées et faire appel à des entrepreneurs qualifiés.
Mise en service : Tester et vérifier les performances du SSE avant de le mettre en service.
Formation : Fournir une formation au personnel qui exploitera et entretiendra le SSE.

8.1 Meilleures pratiques pour l'installation

Les meilleures pratiques pour l'installation incluent :

Suivre les instructions du fabricant.
Utiliser des outils et des équipements étalonnés.
Documenter toutes les étapes de l'installation.
Effectuer des inspections approfondies.

9. Exploitation et maintenance

Une exploitation et une maintenance régulières sont essentielles pour garantir les performances et la fiabilité à long terme du SSE. Cela inclut :

Surveillance : Surveiller en permanence les performances du SSE.
Maintenance préventive : Effectuer des tâches de maintenance régulières, telles que le nettoyage, l'inspection et les tests.
Maintenance corrective : Réparer ou remplacer les composants défectueux.
Analyse des données : Analyser les données sur les performances du SSE pour identifier les problèmes potentiels et optimiser le fonctionnement.

9.1 Calendrier de maintenance

Un calendrier de maintenance doit être élaboré en fonction des recommandations du fabricant et des conditions de fonctionnement spécifiques du SSE. Ce calendrier doit inclure à la fois des tâches de routine et des inspections plus complètes.

10. Analyse des coûts et viabilité économique

Une analyse approfondie des coûts est essentielle pour déterminer la viabilité économique d'un projet de SSE. Cette analyse doit prendre en compte les coûts suivants :

Coûts d'investissement : Le coût initial du SSE, y compris la batterie, le SCP, le SGE et les équipements auxiliaires.
Coûts d'installation : Le coût d'installation du SSE.
Coûts d'exploitation : Le coût d'exploitation du SSE, y compris la consommation d'électricité et la maintenance.
Coûts de maintenance : Le coût d'entretien du SSE.
Coûts de remplacement : Le coût de remplacement de la batterie ou d'autres composants.

Les avantages du SSE doivent également être pris en compte, tels que :

Économies sur les coûts énergétiques : Économies résultant de l'écrêtage des pointes, du report de charge et de la réduction des frais de demande.
Génération de revenus : Revenus provenant de la fourniture de services au réseau, tels que la régulation de fréquence et le soutien de tension.
Alimentation de secours : La valeur de la fourniture d'une alimentation de secours pendant les pannes.
Intégration des énergies renouvelables : La valeur de permettre l'intégration des sources d'énergie renouvelables.

10.1 Indicateurs économiques

Les indicateurs économiques couramment utilisés pour évaluer les projets de SSE incluent :

Valeur actuelle nette (VAN) : La valeur actuelle de tous les flux de trésorerie futurs, moins l'investissement initial.
Taux de rentabilité interne (TRI) : Le taux d'actualisation pour lequel la VAN est égale à zéro.
Période de récupération : Le temps nécessaire pour que les flux de trésorerie cumulés égalent l'investissement initial.
Coût actualisé du stockage d'énergie (LCOS) : Le coût du stockage de l'énergie sur la durée de vie du SSE.

11. Tendances futures du stockage d'énergie

L'industrie du stockage d'énergie évolue rapidement, avec de nouvelles technologies et applications qui émergent constamment. Certaines tendances clés incluent :

Baisse des coûts des batteries : Les coûts des batteries diminuent rapidement, rendant les SSE plus viables économiquement.
Progrès dans la technologie des batteries : De nouvelles technologies de batteries sont développées avec une densité énergétique plus élevée, une durée de vie en cycles plus longue et une sécurité améliorée.
Intégration accrue au réseau : Les SSE jouent un rôle de plus en plus important dans la stabilisation du réseau et l'intégration des énergies renouvelables.
Émergence de nouvelles applications : De nouvelles applications pour les SSE voient le jour, telles que la recharge des véhicules électriques et les micro-réseaux.
Développement de nouveaux modèles économiques : De nouveaux modèles économiques sont développés pour les SSE, tels que le stockage d'énergie en tant que service.

12. Conclusion

La conception de systèmes de stockage d'énergie robustes et efficaces nécessite un examen attentif de divers facteurs, notamment la sélection de la technologie, le dimensionnement, la sécurité et l'économie. En suivant les directives décrites dans ce guide, les ingénieurs et les développeurs de projets peuvent concevoir des SSE qui répondent aux besoins spécifiques de leurs applications et contribuent à un avenir énergétique plus durable. Le déploiement mondial des SSE est essentiel pour permettre la transition vers un système énergétique plus propre et plus résilient, et la compréhension des principes de conception des SSE est cruciale pour atteindre cet objectif.